Później uczestniczył, jako zastępca dyrektora, w planowaniu i realizacji wspólnego amerykańsko-radzieckiego lotu kosmicznego ASTP (Apollo-Soyuz Test Project). Przewodniczył delegacji Stanów Zjednoczonych podczas rozmów ze Związkiem Radzieckim w sprawie technicznych aspektów tego programu. 1 lipca 1976 – zakończył pracę w NASA.
Loty załogowe Gemini 9A Do swojego pierwszego lotu w kosmos wystartował 3 czerwca 1966 jako pilot statku Gemini 9A. Dowódcą misji był Thomas Stafford. Jednym z podstawowych zadań astronautów podczas tego lotu miało być połączenie statku Gemini z członem ATDA (Augmented Target Docking Adapter). Od obiektu jednak nie odłączyła się osłona aerodynamiczna i cały manewr, musiał zostać odwołany ze względów bezpieczeństwa. Pech nie opuszczał astronautów również później. Cernan podczas wyjścia w otwarty kosmos miał wykonać testy nowego osobistego systemu manewrującego AMU (Autonomy Maneuvering Unit), ale ponad dwugodzinny spacer wyczerpał astronautę. Wizjer kombinezonu pokrył się parą wodną. W tej sytuacji zaszła konieczność zrezygnowania z wypróbowania AMU. Cernan przypadkowo stracił również kamerę z filmem, który wykonał podczas spaceru w kosmosie.