Do swojego drugiego lotu Stafford wystartował 3 czerwca 1966 jako dowódca statku Gemini 9A. Pilotem podczas tej misji był Eugene Cernan. Pierwotnie, w styczniu 1966 do lotu Gemini 9 wyznaczeni byli dwaj inni astronauci: Elliott See i Charles Bassett. Załoga Stafforda była rezerwową. W lutym jednak See i Bassett zginęli w katastrofie lotniczej. Nazwę misji zmieniono na Gemini 9A, a dublerzy stali się załogą podstawową. Jednym z podstawowych zadań astronautów podczas lotu miało być połączenie statku Gemini z członem ATDA (Augmented Target Docking Adapter). Niestety od obiektu nie odłączyła się osłona aerodynamiczna i cały manewr musiał zostać odwołany. Innym celem misji było wypróbowanie przez Cernana podczas wyjścia w otwarty kosmos nowego, osobistego systemu manewrującego AMU (Autonomy Maneuvering Unit). Tu również załogę dotknęło niepowodzenie. Ponad dwugodzinny spacer tak wyczerpał astronautę, że zaszła konieczność zrezygnowania z prób AMU. Cernan stracił również kamerę z filmem, który wykonał podczas spaceru w kosmosie.