Třetí pilotovaný let Gemini měl být evolucí cílů, jež více či méně úspěšně splnila mise GT-4. Strašák reakce lidského organismu na dlouhodobý pobyt ve vesmíru byl z velké části pryč, proto dalším krokem bylo navýšení doby trvání letu. Loď Gemini V měla setrvat na orbitu osm dní, tedy dvojnásobek oproti předcházející misi. Osmidenní let byl zvolen proto, že přibližně stejnou dobu měly trvat cirkumlunární mise. Pro tak dlouhý let nebylo možné hlavně z hmotnostního hlediska využívat klasické baterie, proto měla být Gemini V první lodí, na jejíž palubě byly umístěny dva funkční palivové články. Dalším bodem programu měl být nácvik rendez vous na orbitu. Gemini V nesla poprvé radar a podle plánů z roku 1963 měla být také první lodí, jež se měla na orbitu setkat s cílovým tělesem Agena. Nicméně práce na GATV, jak byla Agena-D v konfiguraci cílového tělesa pro Gemini označována, se neúměrně protahovaly. První exemplář GATV 5001 poslala firma Lockheed na Floridu v květnu 1965, ovšem vinou nejrůznějších problémů a diskrepancí v konstrukci mohl posloužit pouze jako pozemní

Mise Gemini IV měla znamenat v mnoha ohledech jistý přelom v pilotovaném programu USA. Prvotní plány pro druhý pilotovaný let Gemini nalinkované v dubnu 1963 počítaly s dlouhodobou misí o trvání až 7 dní, čímž by byl překonán dosavadní rekord sovětského Vostoku-5. Pro tak dlouhý let by musela být připravena technika včetně palivových článků, protože baterie by nebyly schopny po tak dlouhou dobu zásobovat loď energií. Proti týdenní misi se však postavil Dr. Charles Berry, šéflékař oddílu astronautů. Podle něj byl skok z pěti hodin u Gemini 3 na 168 hodin u následující mise příliš velký. Berry proto požadoval zkrácení mise na polovinu. Do karet mu hrál i problematický vývoj zmíněných palivových článků, s nimiž měl výrobce, firma General Electric, velké problémy. V srpnu 1964 pak šéf GPO Chuck Mathews skutečně oznámil vedení NASA, že mise druhého pilotovaného letu bude čtyřdenní. Dr. Chuck Berry nebyl spokojen ani s touto délkou letu, nakonec však dal svůj souhlas. I tak měla být tato mise zatím nejdelší v americké historii. Mezitím se však v letovém plánu objevil jeden

Když se na podzim roku 1963 šéfastronaut Deke Slayton rozhodoval o obsazení křesel v prvních misích programu Gemini, měl na výběr celkem dvanáct astronautů. Tři zbyli z původní sedmičky Mercury a doplňovalo je devět mužů z druhé skupiny zvané „The New Nine“. Čtrnáct astronautů ze třetího náboru teprve začalo se základním výcvikem a pro rané mise Gemini tedy byli zatím nepoužitelní. Křeslo velitele první mise pochopitelně mělo připadnout zkušenému a schopnému astronautovi, proto Slayton zvolil Ala Sheparda. Pilota mu měl dělat Tom Stafford, člen „Nové devítky“. Záložní posádku mělo tvořit duo veterán Gus Grissom / nováček Frank Borman. Jenže, jak se říká, člověk míní… Personální obsazení letu vzalo zasvé koncem roku, kdy byl Shepard „uzemněn“ s diagnózou Ménièrův syndrom. Na místo Sheparda a Stafforda se posunula záložní posádka. Problém byl ale v tom, že Gus Grissom si evidentně příliš nerozuměl s Frankem Bormanem. Borman po letech vzpomínal na to, jak jej Grissom pozval k sobě domů na večeři, a přestože měl Frank z večera poměrně dobrý pocit, Grissom posléze dal najevo, že s ním nechce

Dříve, než se jakákoli nová kosmická loď s posádkou zvedne ze startovní rampy, probíhá testovací fáze. Ta pochopitelně začíná na zemi a postupuje od testů jednotlivých subsystémů až po testy kompletního stroje. Sebelepší test však nenasimuluje podmínky a vlivy, jakým je loď vystavena v průběhu skutečného letu. Je tradicí, že předtím, než se do vesmíru vydá posádka, probíhají testovací bezpilotní lety, jež mají za cíl definitivně stanovit, zda je loď připravena k pilotovaným operacím. V dosavadní historii kosmonautiky bylo toto pravidlo porušeno pouze jednou, onou výjimkou byl americký raketoplán, jenž ke svému fungování potřeboval lidské zásahy. Jinak ovšem jak Sověti, tak Američané, tak i Čína své lodě nejprve zkoušejí v bezpilotním režimu. Týkalo se to i lodí Gemini. Přestože byla Gemini konstruována jako systém, jenž do značné míry spoléhal na funkci člověka, počítalo se s bezpilotními testy. Jejich určení a počet se však v průběhu času často měnil, až se nakonec ustálil na dvou misích.

Gemini byla strojem, od něhož se očekával významný kvalitativní skok ve srovnání s jednoduchými kabinami Mercury. Měla to být skutečná kosmická loď se vším všudy a na rozdíl od své předchůdkyně neměla být odsouzena k pasivnímu kroužení kolem Země po trajektorii, již jí udělil její nosič. Doba, po kterou měla Gemini vydržet na orbitu, se již neměla počítat na hodiny, nýbrž na dny (dokonce i na týdny). A navíc se na palubě Gemini nenacházel jeden, ale hned dva astronauti. Úkol, který stál před inženýry firmy McDonnell a jejich protějšky v NASA, byl proto vskutku olbřímí. Bylo třeba vytvořit životní prostor pro dvě osoby a zabezpečit únikový mechanismus pro případ havárie; zajistit přežití posádky i fungování lodi po nezbytnou dobu včetně obnovy atmosféry v kabině po výstupu do prostoru; vytvořit pohonný a orientační systém; najít prostor pro vybavení nutné ke splnění specifických úkolů mise; najít způsob, jak provést setkání a spojení lodi s cílovým tělesem na orbitu a v neposlední řadě také vytvořit spolehlivý přistávací systém, jenž by byl schopen loď navést na přistání s přesností řádově