Start nastąpił 100 minut przed wystrzeleniem na orbitę statku Gemini 11. Inaczej niż w przypadku wcześniejszej misji GATV 10 i Gemini 10, do połączenia dwóch statków doszło w czasie wykonywania przez statek załogowy pierwszego okrążenia Ziemi. 13 września doszło do 20 minutowego spaceru kosmicznego, podczas którego Richard Gordon przymocował do Gemini 11 30 metrowy przewód łączący go z GATV 11. 14 września, na 25 sekund włączono silniki głównego systemu napędowego GATV 11, dzięki czemu połączone statki przemieściły się na wyższą orbitę, która w apogeum wynosiła 1374 kilometry. Na tej wysokości załoga Gemini 11 była w stanie po raz pierwszy w historii załogowych lotów kosmicznych, obserwować Ziemię o kształcie kulistym.
Eksperyment ze sztuczną grawitacją Po wykonaniu dwóch okrążeń Ziemi na maksymalnie osiągniętej wysokości, ponownie odpalono silniki główne GATV 11 i obniżono orbitę statków do wysokości na której były na początku misji. Na tej orbicie doszło do rozłączenia się statków, które były połączone ze sobą jedynie za pomocą 30 metrowego przewodu. Statki oddaliły się od siebie do momentu naprężenia przewodu, następnie Gemini 11 zaczął obracać się wokół statku celu, co miało wygenerować siłę odśrodkową wraz z pozorną siłą ciążenia.