V kozmickej lodi Gemini 12 bol druhým pilotom. Odštartoval spolu s veliteľom lode Jamesom Lovellom z floridského kozmodrómu na Cape Canaveral v novembri 1966. Počas svojej misie sa spojili s raketovým stupňom Agena. Aldrin absolvoval tri výstupy do vesmíru (EVA) s celkovou dĺžkou trvania 5,5 hodiny. Pristáli s kabínou lode na vlnách Atlantického oceánu po lete trvajúcom 3 dni, 22 hodín, 34 minút a 31 sekúnd.