Załoga :
 

Charles Conrad, Jr.	CDR	2 lot, NASA,USA
Richard F. Gordon, Jr.	CoPLT	1 lot, NASA,USA

Dublerzy :
 

Neil A. Armstrong	CDR	2 lot, NASA,USA
William A. Anders	CoPLT	1 lot, NASA,USA

Orbita :

i=28,89°; h=161-281 km

Start 12.09.1966 o 14:42:26,546 z wyrzutni LC-19 na Cape Kennedy.

O 16:15 połączenie z objektem GATV-11. W ciągu następnych kilku godzin manewr połączenia został czterokrotnie powtórzony (również w cieniu Ziemi), ostatnie połączenie zostało zrealizowane o 22:00.

13.09.1966 o 14:44 Gordon rozpoczął EVA, podczas której zdjął pułapkę mikrometeorytową z GATV-11, oraz zamocował 30-metrową linę łączącą ją ze statkiem. Ze względu na zmęczenie astronauty wyjście zostało skrócone do 44 minut.

14.09.1966 o 07:12 silnik GATV-11 został uruchomiony na 25 sekund, co podwyższyło apogeum orbity na 1367 km (t=101 minut). Po wykonaniu dwóch obiegów Ziemi wykonano manewr odwrotny, a orbita została ukołowiona na wysokości 298 km.

O 12:45 Gordon rozpoczął 130-minutową SEVA, w trakcie której wykonywał obserwacje astronomiczne. Następnie Gemini-10 został odłączony od GATV-11, a załoga rozpoczęła eksperyment poświęcony badaniu dynamiki obiektów połączonych liną. Między innymi poprzez rotację zespołu wokół wspólnego środka ciężkości (t=9 minut) wytworzono w kabinie siłę odśrodkową o wartości odpowiadającej 0,0015 g. Po zakończeniu eksperymentów lina została odstrzelona.

Wodowanie zrealizowane po raz pierwszy w programie Gemini w sytemie automatycznym nastąpiło 15.09.1966 o 13:59:35 na Atlantyku, 4,9 km za zaplanowanym miejscem (24°15,4'N, 70°00,0'W). Okręt odbiorczy USS Guam ewakuował załogę o 14:24, a statek o 14:59.

Czas lotu: 2d 23h 17m 08s.