Изстреляна на 11 ноември 1966 година от Кейп Канавал основната цел на мисията е сближаване и скачване с мишената „Аджена“ (Agena Target Vehicle – ATV), която представлява космически апарат, който изведен в орбита помага за стабилизация и спестяване на горивото на кораба „Джемини“. Мисията е основополагаща и проправя път на мисията Аполо (Apollo), която в края на 60-те години на миналия век изпраща човек до Луната.

Второстепенните задачи на „Джемини 12“ включват 14 различни експеримента, някои от които свързани с направата на снимки при оскъдна светлина.

В „Джемини 12“ участват Джеймс Ловел (James Lowell) и Едуин „Бъз“ Олдрин (Ewdwin “Buzz” Aldrin, Jr.), който по-късно става пилот на лунния модул, кацнал за първи път на Луната по време на мисията Apollo 11.

Заради многото проблеми по време на опитите на скачване между „Аджена“ и „Джемини 12“ мисията е проведена частично. Въпреки това Бъз Олдрин прекарва общо 5 часа и 30 минути извън кораба си, като през това време, наред с другите опити прави и знаменитото първо селфи в Космоса.

„Джемини 12“ се връща обратно на земята на 15 ноември 1966 година, като се приводнява в Атлантическия океан.