當1961年美國製定了阿波羅登月計劃後，這一計劃的任務更加明確起來，即為完成登月任務探索、試驗新技術，最重要的有兩方麵：一是將載人飛行時間延長到2周，以充分研究人在太空生活和工作的適應性；二是完成兩個航天器在軌機動上的交會和對接。這兩大任務在登月期間都會遇到。這樣，雙子星座計劃就變成阿波羅計劃的輔助項目。
1965年3月雙子星座飛船首次載人發射，到1966年11月，雙子星座飛船先後進行了9次載人飛行，圓滿完成預定任務。此外，雙子星座計劃還取得了大量對地觀測、空間科學試驗成果：宇航員共進行了52項實驗，其中27項是新技術實驗，8項是醫學實驗，另外17項是科學實驗。雙子星座飛船還在不同的高度上拍攝了1400張地球彩色照片。
科研意義
飛船完成了空間交會和對接工作，宇航員在開放空間活動長達2小時，最長飛行時間達14天，實現了飛船姿態控製、機動、變軌飛行和受控再入，發展了新型燃料電池，宇航員積累了長時間飛行的經驗，包括生理、醫學、生活等。為阿波羅計劃提供了極其寶貴的經驗和科學技術成果。
科技成果
第一，提供了足夠執行阿波羅計劃的長時間飛行經驗，包括生理、醫學、生活等方麵。
第二，驗證了飛船載人條件下溫度、供氧、壓力長期工作的可靠性和壽命。
第三，完成了最重要的飛行器交會與對接，為載人登月的月球軌道對接方案提供了有力的證據。
第四，完成了長達2小時以上的艙外活動，為宇航員在月麵活動積累了經驗。
第五，實現飛行器姿態控製、機動和變軌飛行。這是阿波羅計劃必不可少的任務。
第六，實現受控再入，提高了落點精度，為宇航員的安全提供了更大的保證。
第七，飛船分成幾段，在再入時隻回收載人艙。阿波羅飛船也采用了這種格局。
第八，雙子星飛船的新型燃料電池獲得了驗證和改進，它成功用於阿波羅飛船。
第九，雙子星飛船存在的一些問題，如姿態控製係統的可靠性、救生係統故障、宇航服笨重、太空行走困難等被阿波羅計劃廣泛吸取並加以改進。
第十，雙子星計劃還提供了宇航員訓練、太空生活等方麵的經驗。此外，雙子星計劃的曆次飛行對阿波羅計劃任務的確定提供了直接的指導。
第十一，遠距離對地通訊獲得發展和驗證。雙子星座號飛船
第十二，地麵各控製台站的工作滿足遠程太空飛行的要求。此外，該計劃還在對地觀測、科學試驗方麵取得大量成果。