Wkrótce po wylądowaniu tego ostatniego statku Lovell otrzymał nominację do swojego drugiego lotu w kosmos. Został dowódcą misji Gemini 12 planowanej na listopad 1966. Pilotem misji został Edwin Aldrin. Start statku kosmicznego nastąpił 11 listopada 1966. Lovell w ten sposób znalazł się po raz drugi w kosmosie zanim upłynął rok od jego poprzedniej wyprawy. Zgodnie z planem lotu Gemini 12 połączył się z górnym stopniem rakiety nośnej Agena (obiekt GATV-12). Awaria pompy paliwowej GATV-12 nie pozwoliła jednak na przeprowadzenie planowanego podniesienia wysokości orbity obu obiektów. 13 listopada Aldrin przeprowadził blisko 2,5 godzinny spacer, podczas którego wykonał szereg prac na powierzchni GATV-12. Wykorzystał przy tym doświadczenia astronautów pracujących poza kabiną podczas poprzednich misji. Dzięki temu udało się Aldrinowi, w przeciwieństwie do swoich poprzedników, wykonać wszystkie zaplanowane prace i ukończyć kosmiczny spacer w dobrej kondycji. 15 listopada astronauci wodowali na Oceanie Atlantyckim. Była to ostatnia misja w ramach programu Gemini.