タイタンIIはアトラスに替わる空軍の第二世代の大陸間弾道ミサイル (Inter Continental Ballistic Missile, ICBM) として、1962年に開発された。燃料と酸化剤にはアトラスでは液体酸素とケロシンが使用されていたが、タイタンでは四酸化二窒素とヒドラジンが採用された。これは混ぜ合わせただけで発火するという性質を持っているため、点火装置などの部品が不要になり、構造を簡素化することができた。また長期間の保管が可能になり、発射の手順も簡略化できた。唯一の弱点は、きわめて毒性が強いということであった。一方で初期のタイタンはポゴ振動が発生するという、人間を乗せて打ち上げるには深刻な問題を抱えていた。ジェミニを打ち上げたタイタンには、ASC-15という独自の (独立した) 誘導コンピューターが搭載されていた。ジェミニ誘導コンピューターは重量が26.7キログラムで、サターンロケットに搭載されていた「サターン発射機デジタルコンピューター」ときわめて似ているものだった。
ジェミニには軌道姿勢制御システムが搭載されていた。このシステムは16基の噴射機から構成されており、マーキュリーと同様にヨー・ピッチ・ロールの姿勢制御をするとともに、直行するすべての3軸 (前進・後退、左移動・右移動、上昇・下降) への平行移動の制御を可能にした。平行移動の能力を得たことにより、他の衛星とのランデブーやアジェナ標的機とのドッキングの際に必要になる、軌道傾斜角や高度の変更が可能になった。またアジェナ衛星のロケットエンジンを使用することにより、さらに大きな軌道変更ができるようになった。電力は初期の短期間の飛行では通常の電池から供給されたが、後期の長期間の飛行では有人宇宙船としては初めて燃料電池が使用された。ジェミニの後期の飛行は、アポロの飛行が開始されるほんの1年ほど前に行われたため、いくつかの点においてはアポロよりも優れていた。機体の設計に関しては、どんな小さな部分もグリソム飛行士の影響でジェット戦闘機のような特徴を取り入れていたため、「パイロットのための宇宙船」として知られるようになった。またアメリカの有人宇宙飛行計画が、長期間の飛行・ランデブー・船外活動の能力において明らかにソ連を凌駕しはじめたのはこの時期であった。この間、ソ連は人間を月に送ることを目指してソユーズ宇宙船を開発していたが、政治的あるいは技術的な問題が立ちはだかったことにより、有人月飛行計画は最終的に放棄された。
逆噴射区画には、4基の固体燃料ロケットエンジンが設置されていた。それぞれは球にノズルがついた形をしており、梁に取りつけられていた。梁は2本あり、機体の中心で十字型に交叉していた。帰還の際には1基ずつ順に点火されるが、ロケットが上昇している最中に何らかの異常が発生した場合は4基同時に点火され、宇宙船をロケットから切り離すことになっていた。
1961年、NASAは宇宙船製造の元請企業に、マーキュリー宇宙船の元請だったマクドネル・エアクラフト社を指名した。第一号機は1963年に納入された。全長は5.61メートル、直径は3メートルで、重量は3,200キログラムから3,790キログラムまでと飛行によって異なった。ジェミニの司令船 (帰還区画とも呼ばれる) は、基本的にはマーキュリー宇宙船の拡大版であった。マーキュリーと違い、逆噴射ロケット、電源、推進装置、酸素、水などは司令船の後部に取りつけられている接続区画に搭載されていた。ジェミニにおける設計の主な改良点は宇宙船のすべての内部システムを機器区画に搭載したことで、これによりすでに試験された機器を取り去ったり妨げたりすることなく、独立して検査できるようになったことであった。
BMW 801の先祖にあたるエンジンはBMW 132である。BMWは1930年代にプラット&ホイットニー社製のエンジンR-1690 ホーネットのライセンスを取得し、1930年代中頃までにはホーネットを改良してBMW 132を開発した。BMW 132は幅広く使用され、特にJu 52のエンジンとして長い間活躍した。1935年、ドイツ航空省（RLM）は従来より大型で大出力の星型エンジンを試作させるためにプロジェクトを立ち上げ、当時計画中であったブラモ社のBramo 329開発とBMW社のBMW 139開発に資金援助を行った。しかし、開発開始直後にBMWがブラモの技術者を引抜いて自社のプロジェクトに参加させてしまったため、最終的にBMW 132を複列化したBMW 139のみが航空省のプロジェクトの対象として提案されることとなった。当初、BMW 139は爆撃機や輸送機などの大型機で使用することを想定していたが、計画の半ばにフォッケウルフのクルト・タンクがFw 190のエンジンとして使用することを提案した。空冷星型エンジンは液冷エンジンに比べて前面投影面積が大きくなりがちなため、当時のヨーロッパでは星型エンジンを陸上戦闘機に搭載することは珍しかった。しかし、タンクはカウリングや胴体形状を空気力学的に洗練させ、気流の経路を工夫することで抗力を減らすことは可能だと判断したのである。以上の経緯で始まったエンジン開発の際に主に問題となったのは、シリンダー先端までを冷却できる量の空気の供給であった。通常はカウリングの開口を大きく取ることで冷却空気を増加させるのだが、Fw 190では空気抵抗を可能な限り小さくする方針だったため、機体の前面面積を大きくするような方法を取ることはできなかった。そこでタンクはプロペラスピナーの後方にファンを設置して送風を行い、シリンダーを冷却するシステムを採用した。この冷却ファンはエンジンの動力で駆動され、エンジンを通過した空気の一部はS字型ダクトによってオイル冷却用ラジエターへ流される仕組みになっていた。しかし、それでもBMW 139を搭載したFw 190の原型機はひどいエンジン冷却不良に悩まされ、冷却システムが不完全であることは明らかであった。 そこで開発陣は一からエンジンを設計し直すことにし、設計からある程度時間が経過していたBMW 139の陳腐化も併せて解消することにした。このような経緯で生まれた新エンジンがBMW 801である。新エンジンは完成し次第直ちに量産に移れるものを目標とし、1938年10月から開発が始められ、設計開始から半年後の1939年春には試作品が完成し、1940年から量産が始まった。