Źródła zasilania Ageny 8 już nie działały. Spotkanie dokonano bez użycia urządzeń radiolokacyjnych. W końcowej fazie tej operacji, podczas 28 orbity, po 38 godzinach wspólnego lotu odłączono statek od Ageny 10 i korzystając teraz z silników Gemini 10 zrealizowano spotkanie z Ageną 8. Po raz pierwszy udało się zrealizować spotkanie bez użycia radaru, korzystając tylko z pomocy wzroku. Orbita zestawu Gemini 10 - Agena 8 została ustalona na wysokości 377,6 kilometra.
Spacer kosmiczny Kolejną czynnością w planie lotu było wykonanie pierwszego z dwóch przewidzianych wyjść w otwartą przestrzeń kosmiczną. Gdy zespół statków wykonywał piętnaste okrążenie Ziemi astronauci rozhermetyzowali kapsułę Gemini 10. Michael Collins stanął w otwartym włazie statku, zabezpieczony jednak liną łączącą go ze statkiem, aby za pomocą aparatu z obiektywem o ogniskowej 70 milimetrów wykonać kilka zdjęć gwiazd w ultrafiolecie. Gdy tandem wynurzył się na światło słoneczne Collins umocował na zewnątrz statku płytkę z różnobarwnymi kolorami: czerwonym, żółtym, niebieskim i szarym. Następnie wykonał serię zdjęć, by sprawdzić, jak warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wpływają na jakość fotografii (wierność odtwarzania kolorów). Spacer kosmiczny skrócono o sześć minut ze względu na podrażnienie oka astronauty.