Kariera astronauty We wrześniu 1962 został zakwalifikowany przez NASA do drugiej grupy astronautów amerykańskich (). Brał udział w trzech programach kosmicznych: Gemini, Apollo oraz Space Shuttle. Był w drugiej trójce astronautów, która znalazła się na orbicie Księżyca. Gdy skończył 70 lat, wciąż był aktywnym astronautą i nawet rozważano możliwość, żeby wziął udział w jeszcze jednym locie kosmicznym. Odszedł z NASA w grudniu 2004.
Program Gemini Swój pierwszy lot kosmiczny odbył 23 marca 1965 razem z Virgilem Grissomem na statku kosmicznym Gemini 3. Był to pierwszy załogowy lot, który zrealizowano w ramach tego programu. Podczas misji astronauci ręcznie zmieniali zarówno wysokość, jak i płaszczyznę orbity. Wcześniej podczas lotów załogowych takich manewrów nie wykonywano. Ponadto ręcznie wykonano także manewr zejścia z orbity.
W grudniu 1965 wchodził w skład załogi rezerwowej misji Gemini 6A. Był dublerem Thomasa Stafforda.