Po pięciu minutach statek znalazł się na niskiej orbicie okołoziemskiej, a astronauci rozpoczęli przygotowania do dokowania. Przebieg lotu Po raz pierwszy NASA udało się wysłać jednocześnie na orbitę kapsułę Gemini oraz rakietę Agena. Celem było połączenie ich na orbicie. Udane dokowanie odbyło się 6 godzin i 30 minut po starcie Gemini 8. Był to niewątpliwy sukces, którym astronauci na orbicie i kontrolerzy na Ziemi mogli się cieszyć przez całe pół godziny. Potem nastąpiły najbardziej dramatyczne wydarzenia w całej dotychczasowej historii amerykańskich lotów załogowych w kosmos.
Astronauci trzykrotnie użyli silników kapsuły, by znaleźć się na tej samej orbicie co Agena. Kontroler zauważył jednak, że nieco zboczyli z kursu, co musiało być skutkiem nieprawidłowego działania jednego z silników. Zalecił więc, by skorygowali pozycję. Radar Gemini 8 wychwycił Agenę, gdy statek był od niej oddalony o 332 km. Po 3 godzinach i 48 minutach Armstrong i Scott po raz kolejny odpalili silniki i znaleźli się 28 kilometrów poniżej orbity Ageny. Zobaczyli rakietę, gdy dzieliło ich od niej 140 km. Kiedy Agena znalazła się w odległości 102 km od kapsuły, przekazali sterowanie statkiem komputerowi pokładowemu. Neil Armstrong wykonał ręcznie manewr dokowania. Było to pierwsze w historii udane połączenie statków na orbicie.