Po spojení se motor Ageny využil ke zvýšení hladiny letu na vysoce eliptické dráze s tehdy rekordním apogeem 762 km.
Protože NASA hledala další astronauty, opět se přihlásil a byl v roce 1963 vybrán do třetí skupiny a zařazen do programu Gemini. V roce 1965 byl zařazen do záložní posádky Gemini 7, což mu zajistilo start na lodi Gemini 10, která vzlétla do vesmíru 18. července 1966 pod velením Johna Younga. Během letu se loď spojila s posledním stupněm rakety Agena. Po spojení se motor Ageny využil ke zvýšení hladiny letu na vysoce eliptické dráze s tehdy rekordním apogeem 762 km. Collins absolvoval svou první kosmickou vycházku. Pak se Gemini 8 přiblížilo k Ageně TV-8 létající ve výši 405 km a Collins absolvoval další výstup do volného prostoru.