Zwei Tage nach dem abgebrochenen Countdown saßen Thomas Stafford und Eugene Cernan wieder in ihrer Gemini Kapsel. Der Countdown lief ohne Probleme und diesmal hatte die NASA sogar noch zwei zusätzliche Holds eingebaut, um den Computer jeweils noch einmal testen zu können. Die Ursache des Problems vom 01.06.1966 war übrigens rasch in Form eines beschädigten Transistors gefunden worden. Und so gab es am 03.06.1966 auch keine Probleme mit der Datenübergabe. Um 13:40 UTC am 03.06.1966 hob die Titan-II GLV von LC-19 in Cape Canaveral ab. Wenige Minuten später befand sich Gemini IXA im Orbit und auf Kurs für ein „M = 3 Type“ Rendezvous. Mehrere Bahnmanöver brachten Gemini immer näher an das Ziel heran. In etwa 200 km Entfernung konnte Stafford auf dem Bordradar das Rendezvousziel ausmachen. Im Verlauf der weiteren Annäherung gab es bei 93 km Abstand erstmals visuellen Kontakt. ATDA flog gut stabilisiert vor der Gemini Kapsel, ein optisches Signal schien zu bestätigen, daß auch der Konus über dem Kopplungsadapter abgeworfen war. Nach einem letzten größeren Bahnmanöver hatte sich Gemini IXA von 53 km auf 300 m genähert. Und jetzt erkannten Stafford und Cernan auch, daß doch nicht alles mit dem Augmented Target Docking Adapter stimmte. Die Sprengbolzen am Nasenkonus des ATDA hatten zwar gezündet, doch die Verkleidung hatte sich nur 20° bis 30° geöffnet und wurde noch von einem Spannband gehalten. Schnell hatte das Gerät den Spitznamen „angry alligator“ weg. Während Stafford vorschlug, den Konus mit der Nase von Gemini abzustoßen, erwogen die NASA Techniker am Boden eine EVA von Cernan zu dem Satelliten. Beides wurde aber schließlich als zu gefährlich verworfen. Blieb nur eine Zündung der Lageregelungstriebwerke des ATDA, um die Schutzhülle abzuschütteln. Als auch das mißlang, mußte schweren Herzens auf die Kopplung verzichtet werden. Immerhin taugte ATDA für zwei weitere Annäherungsrendezvous, die routiniert unter Einsatz von Radar und optischen Hilfsmitteln absolviert werden konnten. Im Rahmen eines US Air Force Experiments näherte sich Gemini IXA dabei bis auf wenige Zentimeter an den ATDA — auch ein Vorversuch für die geplante Inspektion eigener und gegnerischer Satelliten, wie sie die USAF (unter Verwendung von Gemini Technologie) damals noch plante. Nach einer verlängerten Ruhepause stand der nächste Höhepunkt der Mission, die EVA von Cernan auf dem Programm. Diese begann als Stand-Up-EVA, wobei Cernan das ELSS (Extravehicular Life Support System) für Notfälle testete, das eigentlich bereits bei Gemini VIII hatte erprobt werden sollen. Schließlich folgte der eigentliche Ausstieg, wobei Cernan zunächst ein sehr interessantes Mikrometeoritenexperiment barg. Dieses bestand aus zwei Boxen, von denen eine als Auffangbehälter für auftreffende Mikrometeoriten diente, während in der anderen irdische Mikrometeoriten kosmischen Bedingungen ausgesetzt wurden. Die Auswertung am Boden zeigte keine Lebensspuren in den aufgefangenen Mikrometeoriten. Einige der irdischen Organismen hatten dagegen überlebt. Cernan beschäftigte sich jedoch zunächst weiter mit fotografischen Experimenten. Bei der Rückkehr zur Ausstiegsluke verlor er leider einen der Filme. Nun stand der eigentliche Höhepunkt der EVA an. Cernan sollte sich zum Versorgungsadapter von Gemini begeben und dort die Freiflugeinheit AMU (Astronaut Maneuvering Unit) anlegen. Folgen sollten diverse Flugmanöver mit diesem Gerät, gesichert nur durch ein Nylonseil von 38 m Länge. Eine Visite beim ATDA und die Simulation einer Rettung aus Raumnot waren nach den Problemen mit dem Zielsatelliten bereits gestrichen worden. Mit erheblichem Rückstand zum Zeitplan erreichte Cernan schließlich die Adaptersektion. Trotz aller Vorsicht beschädigte er unterwegs dabei auch noch eine Antenne. Nach umfangreichen Checks der AMU begann Cernan, das Gerät anzulegen. Dabei gab es erhebliche Probleme, als sich insbesondere eine Armstütze nur mit großem Kraftaufwand ausklappen ließ. Erhebliche Behinderungen ergaben sich aus der Nabelschnur des Lebenserhaltungssystems. Als Cernan schließlich auf die Systeme der AMU umschaltete, gab es starke Probleme mit der Funkverbindung. Bei Kommandant Stafford kamen in der Kapsel nur noch Bruchstücke des Sprechfunks an. Außerdem beschlug das Visier am Helm von Cernan so stark, daß dieser nahezu blind war. Das Klimasystem war nicht in der Lage, die Transpirationsfeuchtigkeit auszufiltern. Unter Einsatz aller verfügbaren technischen Tricks ließ sich die Sicht wenigstens soweit verbessern, daß Cernan sich von der AMU trennen und zur Luke zurückkehren konnte. Nach 2:08 h war die EVA abgeschlossen. Bis zur Rückkehr der Kapsel am nächsten Tag kümmerte sich die Crew nun um die weiteren Experimente. Fortgeführt wurde ein bereits früher geflogenes Experiment zur Zodiakallicht-Fotografie. Die geplante Einbeziehung von Außenbordaufnahmen mußte wegen der Probleme mit dem Raumanzug leider ausfallen. Erfolgreich verlief die Fotografie des Nachtleuchtens (Air Glow) atomaren Sauerstoffs in der Hochatmosphäre. Eine Wiederholung des bei Gemini VIII ausgefallenen Versuchs waren Kommunikationsexperimente im UHF– und VHF-Bereich. Bei sechs Überflügen über die Bodenstation auf Hawaii konnte ein Signal aufgefangen werden, drei weitere Kontakte blieben aus, nachdem Cernan die Antenne bei seiner EVA beschädigt hatte. Erwartungsgemäß keine neuen Erkenntnisse brachte die Auswertung gesammelter Proben von Körperflüssigkeiten. Die Werte deckten sich mit denen früherer Missionen. Nach Abschluß dieser Experimente zündeten die Bremstriebwerke und Gemini IXA setzte zur Landung an. Nur 700 m vom Idealpunkt und 4,5 km vom Flugzeugträger USS „Wasp“ entfernt ging die Kapsel am 06.06.1966 um 14:00 UTC nach einem Flug von 72:21 h im Atlantik nieder. Trotz der nicht erreichten Hauptmissionsziele bewertete die NASA den Flug letztendlich recht positiv. Man hatte wertvolle Erfahrungen gewonnen, die recht bald in Verbesserungen der Bodenorganisation, beim Besatzungstraining und technische Änderungen mündeten.
