从三圈飞行走向四天驻留
双子星座4号是美国双子星座计划的第二次载人飞行，由詹姆斯·麦克迪维特担任指令驾驶员，爱德华·怀特担任驾驶员。此前双子星座3号只在轨运行三圈，这次任务要考察飞船和两名乘员能否连续工作约四天，并检验休息、进食、用品存放和实时计划安排。
飞行同时安排舱外活动、与火箭末级的相对位置保持试验，以及科学和医学实验。长航程与舱外活动需要共同使用有限的电力、氧气和推进剂。由于燃料电池发展未能满足原先的进度要求，4号飞船采用蓄电池，计划航程也从更早设想的七天缩短为四天。
舱外活动如何进入计划
麦克唐纳公司在圣路易斯制造飞船，马丁公司负责泰坦Ⅱ型运载火箭。NASA载人航天中心的人员、宇航员及承包商协同准备舱外装备。大卫·克拉克公司提供专用航天服，载人航天中心研制手持机动装置，宇航员在真空舱、模拟器和失重飞行中练习开舱、出入与重新加压。
苏联宇航员列昂诺夫于1965年3月先行完成太空行走，但美国的舱外活动研究和双子星座4号相关讨论更早已经开始。任务能否实施仍取决于装备鉴定和训练。NASA局长詹姆斯·韦布在5月25日批准加入舱外活动，怀特将完成的是美国首次，而非人类首次太空行走。
参考：[2]
升空后的追逐试验没有成功
1965年6月3日，双子星座4号从佛罗里达肯尼迪角19号发射台起飞。原始报告记录发射世界时为15时15分59.562秒，约合美国东部标准时间10时16分。发射前，塔架接线故障曾使倒计时暂停一个多小时；修正后，飞船进入地球轨道。
麦克迪维特随后尝试接近已分离的火箭第二级，怀特帮助观察目标。飞船没有交会雷达，目测距离又不稳定；向目标直接加速还会改变轨道，不能像地面追车那样简单缩短间距。推进剂消耗达到分配限额后，团队放弃进一步交会，把资源留给舱外活动和四天飞行。
二十二分钟的舱外操作
第三圈飞行中，怀特在机舱泄压后打开舱门，用喷出压缩氧气的手持机动装置离开飞船，脐带和系绳保持他与飞船的联系。原始任务报告把他实际处于舱外的时间记为约22分钟。他以飞船作为方向参照，试验转身和位置控制；机动装置气体耗尽后，继续利用系绳移动。
麦克迪维特在舱内控制飞船姿态并拍照，避免在怀特接近推进器时点火。返回座舱后，两人遇到舱门锁闭困难，依靠训练中练习过的方法共同施力完成闭锁。任务因此取消了再次开门丢弃装备的安排，留下的器材要重新分配存放位置。
四天内留下的观测资料
休斯敦新任务控制中心首次承担载人飞行控制，克里斯托弗·克拉夫特、尤金·克兰兹和约翰·霍奇领导三个班次，分别兼顾执行、系统资源和后续计划。狭小座舱中的通信噪声与人员活动影响睡眠，地面需要根据推进剂存量和乘员状态调整工作，而不是机械照搬发射前日程。
任务安排11项科学、医学和工程实验。舱内辐射测量使用两套主动剂量率仪和五套被动剂量计；穿越南大西洋异常区时，怀特把便携探头移至身体附近和座舱不同位置，以比较屏蔽条件。仪器正常工作，报告给出了区域外宇宙辐射的测量值，并将异常区另作处理。
地形和天气摄影取得了可分析影像。另一个导航实验用红、蓝滤光片拍摄地球边缘，得到24张可用照片，初步处理了其中6张。原报告明确把这些分析列为初步结果，详细亮度计算仍未完成；照片的取得与最终导航性能的证明并不是同一步骤。
滚转再入与海上回收
飞行后段，计算机的断电操作发生异常，原定计算机控制再入未能实施。乘员改用滚转方式再入，在第62圈返回。6月7日美国东部标准时间12时12分左右，飞船在大西洋溅落，累计飞行97小时56分12秒，落点距原目标约80千米。
救援人员安装漂浮围圈并用直升机接走乘员，约57分钟后两人登上“黄蜂”号航空母舰；飞船本体稍后才被吊上船。四天驻留和首次美国舱外操作获得实际经验，交会及计算机故障也促使后续任务改进训练与设备。任务的成功并未掩盖这些未完成目标。