Основной целью полёта являлось сближение и стыковка с мишенью «Аджена-X». Второстепенные задачи включали сближение с «Адженой-8», 14 различных экспериментов и отработку послестыковочных манёвров. Также был запланирован выход в открытый космос.
Запуск 18 июля 1966 года, в 5:20.
Продолжительность полёта: 2 дня 22 часа 46 мин. Максимальная высота орбиты 753,3 км. Корабль совершил 43 витка вокруг Земли.
Произведена стыковка с мишенью «Аджена-X». С помощью двигателей «Аджены» осуществлён переход на более высокую орбиту для сближения с мишенью «Аджена-VIII». Совершён выход в открытый космос, проведены научные эксперименты. После сближения с «Адженой-VIII» на расстояние 3 м, Коллинз совершил второй выход в открытый космос, подлетел с «Аджене», закрепился и забрал эксперимент, закреплённый на корпусе мишени. Длительность выхода 1 час 29 минут. В течение этого времени Янг поддерживал неизменным положение «Джемини-Х» по отношению к «Аджене». Часть заданий по стыковке была отменена из-за недостатка топлива.
Посадка 22 июля 1966 года. Корабль приводнился в 6,2 км от расчётной точки.