Op 12 september 1966 ging de 9de bemande Gemini ruimtevlucht van start. Aan boord van de Gemini 11 ruimtecapsule bevonden zich astronauten Pete Conrad en Richard Gordon. Voor Gordon was dit al de tweede ruimtevlucht uit het Gemini ruimteprogramma. Deze 17de bemande Amerikaanse ruimtemissie (inclusief de X-15 vluchten) zou vooral in het teken staan van het samenvliegen en koppelen van een Gemini ruimtecapsule met een Agena rakettrap zodat deze technieken later konden gebruikt worden tijdens de Apollo maanmissies. Daarnaast zou men tijdens deze ruimtemissie opnieuw experimenten en onderzoek verrichten op vlak van ruimtewandelingen en werkzaamheden buiten de ruimtecapsule.
Ongeveer 85 minuten na de succesvolle lancering vanop Cape Canaveral maakte de Gemini 11 bemanning een zogenaamd “rendez-vous” manoeuvre met een onbemande Agena rakettrap. Tijdens dit manoeuvre koppelde de ruimtecapsule zich verschillende malen met de onbemande rakettrap. NASA hechtte speciaal veel belang aan dit soort manoeuvres aangezien deze ook zouden moeten uitgevoerd worden tijdens bemande maanmissies waarbij de Apollo ruimtecapsule zich meteen na de lancering zou moeten vasthechten aan de maanlander. Op de momenten dat de Gemini 11 ruimtecapsule vasthing aan de Agena rakettrap, die op 12 september 1966 in de ruimte gebracht was, werd de raketmotor van de Agena rakettrap tot ontbranding gebracht waardoor de astronauten Gordon en Conrad zich in een hogere baan om de Aarde bevonden. Op deze manier bereikten de twee ruimtevaarders een nieuwe hoogterecord van 1 374 kilometer.
Richard Gordon maakte op 13 september zijn eerste ruimtewandeling. Net als bij de vorige uitgevoerde ruimtewandelingen bleek Gordon ook vlugger fysiek uitgeput te raken, ondanks de vele trainingen op Aarde, waardoor de eerste ruimtewandeling slechts 33 minuten duurde en vroeger dan voorzien werd stopgezet. Een tweede ruimtewandeling werd een dag later uitgevoerd. Deze verliep veel beter waardoor hij ditmaal 2 uur en 8 minuten buiten de Gemini 11 ruimtecapsule verbleef. Doordat deze tweede ruimtewandeling zo goed verliep viel de man zelfs in slaap toen hij zich buiten de ruimtecapsule bevond. Tijdens één van deze ruimtewandelingen bevestigde Gordon aan de ruimtecapsule een speciaal ontworpen kabel die aan het andere eind vastgebonden was aan de Agena rakettrap. Op deze manier wou NASA een kunstmatige zwaartekracht opwekken in een baan om de Aarde. Conrad slaagde er in een zeer lichte vorm van kunstmatige zwaartekracht op te wekken doordat beide ruimtetuigen rond één gezamenlijk punt begonnen te draaien. Uiteindelijk kreeg hij meer en meer problemen om de 15 meter lange kabel recht te houden waardoor het experiment werd afgeblazen. Wanneer de Gemini 11 astronauten geen ruimtewandelingen uitvoerden, stonden er nog twaalf wetenschappelijke experimenten op het programma. Deze experimenten stonden in het teken van astronomie, fysica en geneeskunde.
Twee dagen en 23 uur na de lancering van de Gemini 11 ruimtecapsule keerde de bemanning terug naar de Aarde. Tijdens hun terugkeer werd voor het eerst in de geschiedenis van de Amerikaanse bemande ruimtevaart gebruik gemaakt van een computer die de terugkeer automatisch regelde. De ruimtecapsule landde op 2,5 kilometer van het vooraf aangeduide landingspunt in de Stille Oceaan waarna de crew met hun capsule werd opgepikt door reddingsteams van het Amerikaanse marineschip USS Guam.
