双子座计划是美国的第二个载人航天计划，计划实施于水星计划和阿波罗计划之间，在1965年至1966年间共有10次载人飞行。计划的目标是为更先进的太空旅行积累技术，尤其是其后的阿波罗登月计划，双子座计划中任务时长足够前往月球并返回。任务还包括太空行走和轨道机动。所有的载人发射都使用大力神二号GLV作为运载火箭。整个计划耗资54亿美元。
当1961年5月25日，约翰·肯尼迪宣布阿波罗计划后，NASA方面认为应该继水星计划后，继续开发一种适用于阿波罗计划的飞船。开发计划原名为“水星标志二期”，1962年1月3日重命名为“双子座计划”。计划的主要目标如下:
“双子座”（Gemini）这个名称源于所用飞船能容纳两人，而Gemini这个词在拉丁语中意思是双胞胎。
双子座飞船与水星飞船最大的不同是，水星飞船将除制动发动机外的所有设备都放在飞船中，仅于航天员一个舱门之隔。而双子座飞船将动力，推进，生命维持系统都放在一个独立的设备模块中，类似后来阿波罗飞船的命令舱服务舱分离的设计。
水星飞船只能在轨道平面做调整，而双子座飞船可以在空间六方向上动作，并能改变轨道。双子座飞船被设计为可以与阿金纳目标飞行器对接，而后者拥有更强大的变轨能力。
最初飞船被设计为使用滑翔伞在陆地着陆，由航天员控制。为了实现这种设计，滑翔伞不只固定在飞船端部，还须固定在热防护盾附近以维持平衡。但此项设计最终还是被降落伞海域着陆方式替换。
飞船在早期几次短期飞行任务使用电池供电，后来的长期飞行任务换成了燃料电池，这是燃料电池在载人飞船的首次应用。
双子座飞船是第一个引入机载计算机的美国载人飞船，双子座引导计算机用来协助管理，控制飞船机动。飞船还借用了某些航空上的设计如弹射座椅，飞行雷达，高度仪。弹射座椅最早出现在苏联的东方号飞船中。
双子座飞船由加拿大设计师吉姆·张伯伦设计，张伯伦原是加拿大阿夫罗公司的阿夫罗箭战斗拦截机项目的首席空气动力学家，该项目取消后，他随着25名高级工程师加入NASA，随后成为美国太空工作组的工程分部的领头人，负责双子座。而飞船的主承包商依然是参与水星计划的麦克唐纳飞行器公司。
此外，航天员维吉尔·格里森也参与了飞船的研发过程。在他死后才出版的著作《双子座！》一书中解释道，是水星计划的终结，使他将全部精力放在双子座计划中。
整个计划由位于休斯敦的载人航天中心管理，由NASA总部的载人航天飞行局领导。副局长乔治·米勒担任计划的代理主任，威廉·施耐德担任双子座6号以后的任务主管。
麦克唐纳的工程师冈瑟·温特负责水星计划的双子座计划的飞船发射前准备。他的团队负责飞船发射前发射塔的最后处理工作。而他亲自为发射前的飞船关上舱门。
下列航天员参与了全部10次载人飞行：
航天员局局长迪克·斯雷顿在整个计划中负责双子座飞船乘员的挑选工作。双子座飞船设有主航天员和后备航天员，后备人员在三次飞行后转正。斯雷顿执意让水星计划7人中现役的4人（谢泼德，格里森，库勃和施艾拉，格伦于1964年1月退役，卡彭特因极光7号再入大气层时的失误操作而备受NASA指责，当时请假参加海军的SEALAB计划，并且留地待命直到1964年7月，斯雷顿自己也因为心脏原因继续留地待命）作为双子座计划各次飞行的指挥官。
1963年下半年，斯雷顿挑选了谢泼得和斯塔福德参加双子座3号任务，麦克迪维特和怀特参加双子座4号任务，施艾拉和杨参加双子座5号任务，此次任务要和阿金纳目标飞行器对接。3号的后备航天员是格里森和波尔曼，他们也将参加双子座6号任务。康拉德和洛威尔成为4号的后备航天员。
由于阿金纳目标飞行器的制造延期，施艾拉和杨的任务被推到双子座6号，而他们也成为谢泼得组的后备。格里森组的长时间飞行任务成为双子座5号。
第二次人员重排是因为谢泼得得了美尼尔氏症，这是一种内耳疾病。格里森替代谢泼得成为双子座3号的指挥官。斯雷顿认为杨的性格和格里森很配，也让他代替斯塔福德执行3号任务。最后，斯雷顿让库勃做5号的指挥官，同样出于性格原因，他将康拉德从4号后备航天员提到5号任务，并指派阿母斯特朗和埃里奥特·希为5号后备。
第三次人员调整是斯雷顿发现希的身体素质标准，他让希担任9号的指挥官，让查尔斯·巴塞特做9号的乘员。安排斯科特做8号的乘员。
第四次调整是因为希和巴塞特因乘坐的训练机坠机而身亡。这架飞机刚好撞进了麦克唐纳生产双子座9号的厂房。后备航天员斯塔福德和康拉德成为重设计的双子座9A的主航天员。洛威尔和奥尔德林成为9A的后备。
虽然格里森, 怀特, 和罗杰·查菲在阿波罗1号的火灾中死去，斯雷顿的最终航天员名单已经包含后来的首批7位阿波罗航天员。有趣的是，这批参加阿波罗计划的航天员中许多人所驾驶的飞船编号刚好比它们的双子座飞船编号大一号：
而这些人例外：
包括2次无人发射，总共有12艘双子座飞船通过大力神二号火箭发射升空。
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