双子星座号飞船是美国第二代飞船系列，“双子星座”计划始于1961年11月，结束于1966年11月，历时5年，共耗资12.834亿美元。共进行了12次飞行，其中2次无人飞行和10次载人飞行，为美国航天创造了数个“第一”。
双子星座计划的主要目的是试验轨道机动、交会和对接能力及让航天员在轨出舱，为“阿波罗”号飞船载人登月飞行作技术准备。共进行了52项试验，其中27项是实验和检验新技术，8项是医学试验，另外17项是科学实验，拍摄地球彩色照片1400张。
为了用一艘飞船载两人升空，以试验后来的“阿波罗”载人登月飞船的一系列技术，20世纪60年代初，美国开始研制“双子星座”飞船。作为美国第二代飞船，“双子星座”计划始于1961年11月，结束于1966年11月，历时5年，共耗资12.834亿美元，其中飞船为7.974亿美元，占总费用的62%；运载火箭为4.098亿美元，占总费用的31.93%；支援设施为0.762亿美元(其中用于改造全球通讯设备为5600万美元)，占总费用的5.94%。
“双子星座”飞船总共进行了12次飞行，其中2次无人飞行和10次载人飞行，以试验轨道机动、交会和对接能力及让航天员在轨出舱，共进行了52项试验，其中27项是实验和检验新技术，8项是医学试验，另外17项是科学实验，拍摄地球彩色照片1400张，为美国航天创造了数个“第一”。
1965年投入使用的“双子星座”飞船是美国第二代飞船。双子星座号是2舱式飞船，由座舱和服务舱两个舱组成，形状与第一代飞船“水星号飞船”相似，呈长圆锥形，高为5.6米，最大直径3.1米，质最约3.2-3.8吨，可乘坐两名航天员。
双子星座号飞船仍由研制水星号飞船的麦克唐纳公司总承包，虽然它与“水星”飞船外形相似，但这2种飞船有许多不同之处，主要体现在以下几个方面：取消救生塔、增加设备舵、改进轨道机动系统、增加交会与对接控制系统、增加对接装置和航天员舱外活动设备。水星号飞船的飞行任务时间为1天，而双子星座号飞船的飞行任务时间一跃提高到14天。为此，双子星座号飞船在相关系统上作了新设计。
飞船结构采用分舱段布局原则，把每个分系统的所有部件都放置在一个紧凑的舱体内，这样既便于检查和组装又便于出故障时更换；从第5艘到第12艘双子星座飞船都是用了燃料电池，这种电池结构较简单、紧凑，能耐冲击和振动，体积小、重量轻、比功率高；飞船还采用弹射座椅作为紧急救生手段，它不仅在发射阶段而且在着陆阶段可为航天员提供一种救生手段。
“双子星座”的座舱分密封和非密封两部分，前者装有显示仪表、控制制备、废物处理装置和两把弹射座椅以及食物和水；后者装有无线电设备、生命保障系统和降落伞等，全长3.4米，最大直径2.3米，航天员活动空间2.55立方米，总重量1982千克。座舱前端还有交会对接用的雷达和对接装置。座舱底部粗覆盖有再入防热材料。
其服务舱分上舱和下舱，上舱装4台制动发动机，下舱有轨道发动机及其燃料、轨道通信设备、电池等，全长1.4米，最大直径3.05米，重1278千克，其中环控生保系统的重量为117千克。服务舱内壁有许多流动冷却液的管子，因此该舱又是一个空间热辐射器。“双子星座”飞船在返回前先抛弃服务舱下舱。然后点燃4台制动火箭，再扔上舱。座舱再入大气层后，下降到低空时打开降落伞，航天员与座舱一起在海面上溅落。
1964年1月双子星座号飞船制造完毕后，共进行了10次载人飞行，总计飞行时间97小时48分。实施“双子星座”计划的目的就是为阿波罗号飞船进行载人登月做好技术准备。
1965年3月23曰，双子星座3号飞船首次载航天员格里索姆和约翰·杨发射入轨。这次飞行主要是考察飞船各系统和再人大气层时的无线电通讯试验、失重和辐射的影响，因此飞行时间定为5小时，结果旗开得胜。除检验了飞船的基本性能外，航天员首次在轨道上实现了真正的飞船操纵、变方向和变速度控制，还首次在空间使用了计算机(这台计算机重22.7干克，计算能力为7000次/秒)、使操纵飞船的航天员能够获得飞船变轨所需的推力数据，及使用计算机对交会及有升力再入等进行计算，从此在载人航天飞行中获得了机动飞行能力，结束了在此之前飞船必须按照固定轨道绕地球飞行的情况，开创了航天飞行中人机结合的新时代。
双子星座4号飞船于同年6月3日发射。这次飞行任务由航天员怀特和麦克迪维特承担，飞行时间延长到5天。在飞船绕轨道飞至第三圈时，怀特按预定计划在夏威夷上空打开舱门，进入了开放空间，在舱外共活动了约21分钟。在飞行期间，他们还进行了科技实验,医学测试，利用弹力器来维持肌肉的弹性，拍摄了许多舱外活动和地球大气层的照片。由于飞胎上的计算机失灵，飞船没有按原定计划飞行121圈，而是飞行62圈后于6月7日返回地面。这次飞行有2项成果超过了当时的苏联：一是飞行时间近98小时，打破了当时苏联的纪录；二是进行了首次太空行走。
双子星座5号飞船于1965年8月21日发射，在轨运行7天，主要任务是进行轨道机动和交会练习。尽管飞船在飞行中没能按计划与鉴定舱对接，因为鉴定舱失踪了，但完成了许多实验和对地观察项目，飞行时间达8天，绕地球120圈，仍然取得了很大成功。通过对飞船上2名航天员的身体适应情况的监测，证明人可以经受飞向月球并在月面短暂停留后再返回地面这样长时间的失重，成功扫除了通往太空飞行2个星期道路上的障碍。
为了验证双子星座号飞船的交会能力，为航天员提供在太空中进行对接训练的机会。美国航空航天局分别于1965年12月4日和12月15日分别发射了双子星座6号、7号飞船。
1966年3月16日发射的双子星座8号和6月3日发射的双子星座9号都末能按计划实现与宇宙神号火箭上面级“阿金纳”对接的任务，但双子星座8号在1台姿态控制发动机失控后成功完成了世界载人航天飞行中的首次紧急救生，也表现出人在空间完成某些特定任务及处理紧急情况方面的作用。双子星座9号的航天员塞尔南于6月4日进行了长达2小时的舱外活动，完成了预定的科学研究任务。
1966年7月18日，双子星座10号飞船载航天员约翰·杨和科林斯进入轨道。双子星座10号用了约6小时时间完成了与“阿金纳”的会合与对接任务，此时距地面298千米。“阿金纳”的发动机正常工作了80秒钟，将双子星座号飞船——阿金纳1号复合体送到763千米的远地点，尔后发动机又2次点火，把双子星座10号的远地点降到382千米，最后一次点火把双子星座10号飞船推人377.6千米的圆轨道。双子星座10号和“阿金纳”组成复合体持续飞行了4小时后分离。不久，航天员操纵飞船向7千米远的“阿金纳”机动飞行，两小时后两者相距只有3米。航天员科林斯爬出舱外，依靠机动系统来到“阿金纳”上，完成了取样任务。最后，他们于7月21日安全返回地面。这次圆满成功的太空对接与轨道机动飞行是航天史上一项伟大的成就，表明已掌握了“阿波罗”计划的关键技术，为载人登月开辟了道路。
1966年9月22日和11月11日，双子星座11号、12号飞船先后发射。这两艘飞船更加出色地完成了空间对接任务、舱外活动任务，进行了一系列科学实验。11月15日，双子星座12号安全返回地面，这标志着“双子星座”计划的结束。
作为一项既是独立的又是过渡性的计划，“双子星座”计划取得的许多开创性成就，为“阿波罗”计划提供了极其宝贵的经验和科学技术成果：
提洪了足够执行“阿波罗”计划的长时间飞行经验，包括生理、医学、生活等方面；
验证了飞船在载人适应的温度、供氧、压力等条件下长期工作的可靠性和寿命；
掌握了最重要的航天器交会与对接技术，为载人登月的月球轨道对接方案提供了有力的证据；
完成了长达2小时以上的舱外活动，为后来航天员在月面活动提供了经验；
实现了航天器姿态控制、机动和变轨飞行，这是“阿波罗”计划必不可少的任务；
实现了受控再入，提高了落点精度，为航天员的安全返回提供了更大的保证；
飞船分成几段，在再入时只回收载人的座舱，阿波罗号飞船也采用了这种格局；
飞船的新型燃料电池获得了验证和改进，它成功用于阿波罗号飞船；
双了星座号飞船存在的一些问题，如姿态控制系统的可靠性、救生系统故障、航天服笨重和太空行走困难等被“阿波罗”计划广泛吸取并加以改进；
“双子星座”计划还提供了航天员训练、太空生活等方面的经验；
“双子星座”计划的历次飞行对“阿波罗”计划任务的确定提供了直接的指导；
远距离对地通讯获得发展和验证；
地面各控制台站的工作能够满足远程太空飞行的要求。
