改换会合目标
双子星座6A号由沃尔特·希拉和托马斯·斯塔福德驾驶，原定同无人阿金纳目标飞行器会合并对接。1965年10月，目标飞行器发射失败，任务改成与弗兰克·博尔曼、詹姆斯·洛韦尔驾驶的7号相会。7号先进行长时间飞行，再为后来升空的6A号提供目标。
这一变更保留了研究轨道会合的机会，却改变了两次任务的配合方式。两艘飞船可以互相通信，7号的应答机帮助6A号雷达测定目标；地面团队则要利用同一发射工位，在7号仍在轨时完成第二次发射。此行实现的是会合与编队，两船没有连接在一起。
把轨迹变成机组程序
会合准备早于目标更换。美国国家航空航天局（NASA）载人航天中心的迪安·格里姆与航天员埃德温·奥尔德林研究轨迹及操作方法。格里姆到圣路易斯与麦克唐纳公司的模拟器人员合作，机组完成五十次完整会合模拟，一边操作，一边记下应采用的步骤。
这些训练不仅演练正常飞行，也考虑设备失灵后的选择。机组曾否定一种倒置飞船实施会合的方法，因为这种姿态使他们失去方向感。经过讨论形成的图表随船携带。斯塔福德、希拉与格里姆后来的会议摘要说明，飞行数据图表与机组时间线经历了约八个月准备，使驾驶员能以多种信息检查接近是否正常。
发射台停机后的检查
7号起飞后，肯尼迪角的团队在一天内竖起6A号的火箭、装上飞船，并按程序测试；还利用7号飞过上空的机会检查雷达应答机。1965年12月12日，泰坦2号点火后突然停机。希拉和斯塔福德没有感到火箭移动，未使用弹射座椅，随后由地面人员协助离舱。
最初发现的问题是电插头提前脱落，但工程人员没有停在这个解释上。发动机推力曲线显示，推力在停机指令前已下降。连续检查又找出燃气发生器入口遗留的防尘盖；12月13日清理并重新装回燃气发生器后，团队把再次准备压缩到三天，使6A号仍能赶上在轨的7号。
从低轨道逐步接近
1965年12月15日，美国东部标准时间8时37分，6A号从19号工位升空。飞船先进入较低轨道，凭较短的绕行周期追赶目标，再依次调整高度、相位与轨道平面。起飞约三小时四十七分时的机动使轨道更接近圆形，随后转入计算机会合模式。
机组把雷达数据、惯性平台信息和目视观察结合起来；会议摘要特别指出，雷达测得的距离变化率与平台角度，是判断接近进度的有效组合。两次中途修正之后，希拉在约五小时五十分开始制动。再过约六分钟，两船相距约一百二十英尺，相对运动停止，受控轨道会合完成。
编队与记录中的成果
会合后的工作是保持相对位置、接近、后退和绕飞。两船近距离活动持续约三个半轨道，距离约在一至三百英尺之间变化。希拉和斯塔福德轮流操纵；对夜间目标灯光与细小速度输入的观察，使机组能够评价近距离控制，而不只是证明两船曾在太空彼此经过。
NASA项目史记载，6A号完成会合机动约耗用五十一千克燃料，仍保有开展编队活动的余量。任务也留下不完整的数据：起飞后二十小时五十五分，延时遥测录音设备失灵，余下约四小时二十分的该类数据未能保存。操作成果与设备故障，一起进入任务评价。
返航与下一阶段
12月16日，美国东部标准时间10时29分，6A号在西大西洋溅落，完成约二十六小时飞行。机组留在舱内，约一小时后由黄蜂号航空母舰连人带舱回收。7号继续执行长时间飞行，后来另行返航。
6A号把原先需要在图表和模拟器中反复讨论的会合，转化成可操作的飞行过程：先建立合适的轨道关系，再缩小距离，最后控制相对速度。近距离操纵为后续对接提供了经验，而真正的机械连接仍是另一步任务。