Der Start erfolgte von Cape Canaveral. Gemini 4 wasserte 650 km südwestlich der Bermuda-Inseln im Atlantik.

Das Gemini-Raumschiff war konzipiert, um wesentliche Prozeduren für die Mondlandung mit dem nachfolgenden Raumschiff Apollo zu testen. Die konisch geformte Kapsel bestand aus zwei Hauptkomponenten, nämlich der Rückkehrkapsel (Reentry Module) und der Adapter-Sektion. Das Reentry Module wiederum gliederte sich in drei Hauptsektionen. Dies waren die Rendezvous & Recovery Section (R&R), die Reentry Control Section (RCS) und die eigentliche Mannschaftskabine (Cabine Section).
Bei den Rendezvous-Missionen enthielt das R&R das Rendezvous- und Annäherungsradar sowie die drei Halteklammern des Kopplungssystems, die in den Agena-Zielsatelliten einrasteten. Außerdem war in dieser Spitze der Gemini der Behälter für den Pilot- und Hauptfallschirm untergebracht. Zwischen R&R und der Mannschaftskabine befand sich die RCS. Darin waren Treibstoff- und Sauerstofftanks sowie die die notwendigen Ventile, Brennkammern und Triebwerksdüsen des vorderen Steuerungssystems untergebracht. Die RCS-Triebwerke wurden für Flugmanöver im Orbit und für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verwendet.
Die Mannschaftskabine verfügte über zwei unabhängige Einstiegsluken. Für jeden Astronauten war ein Schleudersitz für den Notfall vorhanden. Die Luke des Co-Piloten diente zugleich dem Ausstieg bei Außenbordmanövern. Insgesamt standen den beiden Astronauten etwa 1,6 Kubikmeter Raum zur Verfügung. Die Kabine stand unter Luftdruck und war aus Titanblech und einer äußeren Hülle aus hitzebeständigem "René41"- Metallplatten gefertigt. Am stumpfen Ende des Raumschiffs befand sich ein ablatives (abschmelzbares) Hitzeschild aus Beryllium-Material. Im Innern der Kapsel waren die Lebenserhaltungssysteme, die Kommunikationsanlage, eine autonome Energieversorgung, Anzeige- und Steuergeräte und bei den späteren Missionen ein Flugführungs-Computer untergebracht. Letztlich wurden dort auch die wissenschaftlichen Experimente gelagert. Die Landung einer Gemini-Kapsel vollzog sich so, dass in 15 km die Auswurfvorrichtung der Fallschirme gelegt wurde und anschließend der Pilotfallschirm ausgestoßen wurde. Bei einer Höhe von 6.400 m erfolgte die Öffnung der Luftventile, um einen Druckausgleich zu erreichen. Bei etwa 2.900 m wurde der Pilotfallschirm zusammen mit der R&R-Sektion abgetrennt und der Hauptfallschirm ausgestoßen.
Die Adapter-Sektion war aufgegliedert in die Retrogradesection und die Equipment Section, also den Geräteteil. In der Retrogradesection waren an einer Kreuzstruktur vier kugelförmige Feststofftriebwerke untergebracht. Sie lieferten jeweils einen Schub von 11,35 hN und dienten als Bremstriebwerke. Ebenso befanden sich dort vier Lagekontrolltriebwerke. Nach dem Abtrennen der Equipment Section und der Zündung der Bremstriebwerke wurde auch dieser Teil abgesprengt. Erst dadurch wurde der Hitzeschild freigelegt.
Die Equipment Section enthielt Treibstoff-, Sauerstoff- und Heliumhochdruckbehälter, mit denen das Lagekontroll- und Manövriertriebwerkssystem (OAMS) versorgt wurde. Zu diesem System gehörten auch sechs Triebwerke mit einem Schub von jeweils 450 N. Außerdem waren in dieser offenen Ringstruktur Batterien bzw. Brennstoffzellen, der Sauerstoffvorrat und Wasserreserven für das Kühlsystem untergebracht.
Die gesamte Adapter-Sektion war aus einer Magnesiumlegierung gefertigt und war zugleich Verbindungsteil zur Titan-Trägerrakete.
Das gesamte Gemini-Raumschiff wies eine Länge von 5,791 m auf und hatte einen maximalen Durchmesser von 3,048 m. Je nach Ausrüstung einer Mission lag die Gesamtmasse bei 3.130 bis 3.810 kg. Die Mannschaftskabine mit dem RCS und dem R&R hatte eine Länge von 4,45 m. Am stumpfen Ende hatte die Kapsel 2,30 m Durchmesser bei einer Masse von 2.030 kg). Die Adapter-Sektion hatte eine Bauhöhe von 1,34 m und eine Masse von mindestens 1.100 kg. Ihr Durchmesser betrug am oberen Ende 2,30 m und am unteren Ende 3,05 m.

Im Gegensatz zu den Mercury- und Apollo-Flügen, gab es bei Gemini keine Rettungsrakete, die beim Versagen der Titan-Rakete die Raumkapsel von der Startrakete weggerissen hätte. Die Titan-II-Rakete flog mit sogenannten hypergolen Treibstoffen, die im Falle des Versagens der Startrakete zwar zum Abbrennen, aber nicht zur Explosion neigen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis wurden stattdessen in die Gemini-Raumschiffe Schleudersitze eingebaut. Das Verfahren wurde als "Ballute" bezeichnet. Bei einem erforderlich werdenden Ausstieg während der Startphase sollte sich das ballonähnliche Gebilde als erstes entfalten und den Flug des Astronauten stabilisieren, ehe der Fallschirm geöffnet wurde.

Der Start wurde erstmals via Satellit (Early Bird) nach Europa in 12 Länder übertragen und es war der erste Flug, der vollständig vom neuen NASA-Kontrollzentrum in Houston überwacht wurde.

Gemini 4 hatte zunächst als wesentliche Missionsaufgaben nur einen Raumflug von mindestens vier Tagen bei zuverlässig funktionierenden technischen Systemen und als sekundäres Ziel die Durchführung von Flugbahnmanövern. Zwar tauchte in den Planungen frühzeitig eine mögliche Außenbordtätigkeit - eine sogenannte EVA - auf, jedoch beurteilte die NASA die Möglichkeit einer sicheren Durchführung schon bei Gemini 4 eher zurückhaltend. Unter Druck geriet die NASA durch den erfolgreichen Ausstieg von Alexej Leonow während des Fluges von Woßchod 2 im März 1965. Offiziell sollte die Entscheidung über die Durchführung einer EVA erst kurz vor dem Start fallen.

In der Erdumlaufbahn versuchte James McDivitt, sich mit der Gemini-Kapsel an die zweite Stufe der Titan-Rakete anzunähern, was jedoch misslang. Da die Tanks von Gemini 4 kleiner waren als die der folgenden Raumschiffe, verzichtete man nach mehreren Anläufen auf dieses Experiment, vor allem weil der noch folgenden EVA von Edward White am 03. Juni 1965 größere Bedeutung beigemessen wurde.

Die reine EVA dauerte 36 Minuten. Edward White konnte sich dabei mit einer Art Luftpistole durch deren Rückstoß fortbewegen. Allerdings war nach relativ kurzer Zeit der Treibstoff verbraucht. Für die Versorgung mit Sauerstoff war der Astronaut mit einer Art Nabelschnur mit dem Raumschiff verbunden. Die 7,23 Meter lange Schnur war mit einer dünnen Goldfolie überzogen und versorgte den Raumanzug des EVA-Astronauten auch mit Energie. Ebenso wurde die Sprechfunkverbindung darüber abgewickelt. Edward White konnte während seiner Außenbordtätigkeit aber eine Kamera anbringen und nachher auch wieder abbauen, ebenso war er in der Lage, elektrische Kabel miteinander zu verbinden und zu lösen. Er bewegte sich bis zum Heck des Gemini-Raumschiffs. Zu Beginn hatte er jedoch leichte Schwierigkeiten die nach außen führende Luke zu öffnen und noch mehr Probleme, sie zum Abschluss der EVA wieder zu schließen. Nur zusammen mit James McDivitt gelang das Unterfangen. James McDivitt musste seinen Piloten an Füßen festhalten, damit dieser genügend Kraft aufwenden konnte, um den Verschlussmechanismus der Luke einrasten zu lassen. Edward White hatte sich aber komplett verausgabt, der Schweiß rann ihm in seine Augen, so dass sein Helm beschlug und auch James McDivitt war danach erschöpft und müde. Dennoch war diese erste EVA eines US-Amerikaners ein voller Erfolg. Zwar war vorgesehen, nicht mehr benötigte Ausrüstungsgegenstände der EVA über Bord zu werfen, allerdings wollte man die Luke kein weiteres Mal öffnen.

Ansonsten befanden sich elf wissenschaftliche Experimente an Bord. Dazu gehörten Fotografieren mit einer Hasselblad-Kamera und Erdbeobachtung. Ein Ingenieurexperiment zur Messung der elektrostatischen Aufladung zeigte höhere Werte an, als erwartet. Für weitere Messungen waren außerdem ein Dreiachs-Magnometer und ein Proton-Elektron-Spektrometer an Bord der Kapsel. Ein phonokardiologisches Experiment maß die Herzfrequenzen der Astronauten, insbesondere während der Start- und Landephase sowie während der EVA. Die Strahlungswerte innerhalb und außerhalb der Kapsel standen bei einem weiteren Experiment im Mittelpunkt. Die Kenntnis der Werte über die Strahlendosis sollte zur Einschätzung des Strahlenrisikos bei längeren Raumflügen führen. In der Gerätesektion des Raumschiffs war ein Spektrometer untergebracht, der die Energie und die Protonen feststellen sollte. Das Gerät wurde immer dann eingeschaltet, wenn die Gemini die sogenannte "Südatlantische Geomagnetische Anomalie" durchflog. Durch die ungleichmäßige Starke des Magnetfeldes der Erde nähert sich der innere energiereiche Van-Allen-Gürtel an dieser Stelle sehr weit der Erdoberfläche.

Auch Gemini 4 gelang keine Punktlandung, sie schoss 80 km über das anvisierte Ziel hinaus. Da im Zielgebiet aber mehrere Flugzeugträger stationiert waren, waren die Hubschrauberpiloten der USS Wasp innerhalb weniger Minuten nach der Wasserung bei der Kapsel.