V októbri 1963 bol Aldrin vybraný do tretej skupiny astronautov. Jeho seriózny a intelektuálny prístup bol pri plánovaní misií Gemini neoceniteľný, ale Aldrin nebol vybraný do žiadnej z posádok. Až po tragickej smrti hlavnej posádky Gemini 9 sa zo záložnej posádky stala hlavná a do novej záložnej posádky bol vybraný Aldrin. Do vesmíru sa po prvýkrát dostal ako člen posádky Gemini 12, poslednej misie projektu Gemini. V roku 1969 sa zúčastnil ako pilot lunárneho modulu misie Apollo 11 a vstúpil, po Neilovi Armstrongovi, ako druhý človek na povrch Mesiaca.