“雙子座”飛船重約3.2 ~ 3.8噸，最大直徑3米，由駕駛艙和設備艙兩部分組成。
“水星”計劃結束後，時任美國總統肯尼迪曾明確提出登月是載人航天的發展目標。因此，美國國家航空航天局花了兩年時間設計第二代宇宙飛船，雙子座宇宙飛船，作為登月計劃和水星計劃之間的過渡計劃。而且這個計劃的目的相當明確，主要是完善飛向月球所需的關鍵但未經檢驗的技術，包括變軌、軌道交會、軌道對接和在軌艙外活動。
為了精確控制飛船，設計者為雙子座安裝了幾個火箭發動機，使其可以在軌道上前進、後退和側移，以改變軌道。復雜的任務需要兩個人駕駛飛船，這使得飛船變得更大。而且雙子座飛船的太空飛行時間壹般需要持續壹到兩周才能確定人體能否承受長期失重，所以需要大量的電力和能源。為了滿足這壹要求，雙子座飛船增加了設備艙，並安裝了供電系統、推進劑儲罐等設備。
當時使用的普通化學電池功率低，壽命短，不足以維持長時間飛行，而太陽能電池技術也不成熟，於是設計者采用了燃料電池，依靠燃料的化學反應釋放能量，轉化為電能輸出。
兩名宇航員，加上額外的支持系統，物資和推進劑，雙子座飛船的重量是水星的兩倍。要將其送入太空，水星使用的宇宙號運載火箭已經無能為力，大力神2號運載火箭成為了雙子座飛船的運載火箭。經過長時間的調查，設計者發現運載火箭在發射時爆炸的概率極小，於是雙子座取消了逃逸塔，采用彈射座椅作為緊急情況下的救生措施。