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1966年11月11日（以下均为美国东部时间）15时46分，双子星-12飞船从卡角19号发射工位起飞，6分钟后成功进入160.8×270.6km的近地轨道。经过约三个半小时的飞行，19时32分，飞船追上了当天稍早前发射入轨的双子星-阿金纳靶标对接器（GATV），实现交会。在绕地飞行第三圈时，由于船载雷达故障，飞行乘组改为使用目视对接操作。20时许，飞船与GATV成功对接。而在稍早前GATV发射入轨后，地面监测到它的主推进系统出现异常，为稳妥起见，依靠GATV推进系统抬高组合体轨道的计划被迫取消。地面随即制定了一项替代方案，依靠GATV辅助推进系统经两次变轨，使飞船于次日上午9时20分飞经南美洲上空，宇航员可透过舷窗拍摄到日全食。
在观测完梦幻的日全食后，11月12日上午11时15分，奥尔德林打开舱门，开始了首次直立出舱作业。他双脚站在座椅上，上半身探出舱外，将一台相机固定在飞船外侧，并进行了一次微陨石收集实验。首次出舱作业共持续2小时29分钟。
次日上午10时34分，舱门再次被打开，奥尔德林开始了第二次出舱作业。这次，他身系一根9米长的缆绳，首次飞出舱外，开始在舱门口和飞船头部活动。然后，他沿着飞船对接口上的扶手（已在第一次出舱作业安装好），他使用脚部限位器和系绳，让身体固定到安装在对接口后侧的工作台上，随后他开展了17项相对简单的“手工活”。然后，他又漂到GATV对接口一侧，继续实施一系列其他任务，包括在系绳状态下使用转矩扳手。接下来，通过一根30米长的系绳，奥尔德林把GATV的对接口和飞船对接口上的横杠连在一起。在本次出舱作业期间，地面为奥尔德林特意安排了12分钟的休息时间，以避免出现前几次任务中因宇航员力气过早耗尽未能完成任务的情况。中午12时33分，奥尔德林再次回到乘员舱内。本次出舱作业完成得非常漂亮，用时2小时6分钟。
11月13日下午15时09分，飞船与GATV组合体分离，依靠两器对接口之间的系绳相连。随后，飞船开始以绕飞GATV并进行系绳实验。然而系绳似乎一直都没能绷直，但两名宇航员相信，两器会逐渐进入重力梯度的稳定状态。当晚19时37分，实验结束，系绳被抛离飞船。
11月14日上午9时52分，舱门第三次被打开。奥尔德林开始了第二次直立出舱作业，本次出舱任务包括拍摄和几项附加实验，并扔掉了无用的设备。10时47分，舱门再次关闭。本次作业时间不长，仅持续55分钟。但随后地面监测到燃料电池和发动机出现小问题，所幸不会对后续任务造成影响。
11月15日下午13时46分，飞船飞至第59圈末段时，制动发动机点火，自动再入返回程序启动。35分钟后，飞船平稳溅落在西大西洋预定海域，距理论点仅误差4.9公里。14时49分，两名宇航员登上黄蜂号航母；39分钟后，飞船回收工作顺利完成。双子星-12任务时长共计94小时34分钟。除了因GATV推进系统故障未能考查机动变轨性能以及任务中出现的燃料电池和姿控发动机小故障外，但瑕不掩瑜，既定的主要目标均圆满完成。除此之外，搭载的空间科学实验也宣告成功，其中包括：微重力环境下青蛙卵培育实验，地表和天气概要拍摄实验，核子乳剂实验，地平线大气光拍摄实验，紫外天文和暗夜拍摄实验等。但遗憾的是，两次微陨石收集实验和三次空间现象拍摄实验未能达到预期目的。