Stafford aGemini–6A pilótája, társaWalter Schirra parancsnok volt. Az űrhajó küldetése eredetileg az első dokkolás lett volna a világűrben, azonban azAgena céltárgy(GATV-5002)1965.október 25-én a fellövést követő hatodik percben megsemmisült. Eközben a Gemini legénysége már az űrhajóban beöltözve várta a saját fellövését.
A módosított terv szerint a –Gemini–6-ról időközbenGemini–6A-ra átnevezett – küldetésnek találkoznia kellett a világűrben aGemini–7-tel. A teljes utazás 25 óra 51 perc 24 másodpercig tartott. A két Gemini kabin 30 centiméterre közelítette meg legjobban egymást.
A küldetés célja azAgena dokkolási rakétafokozatot helyettesítőATDA céltárggyal való összekapcsolódás. Ez a művelet sikertelen maradt, mert azűrrandevú közben a legénység észrevette, hogy azATDA-ról nem vált le teljesen a dokkolószerkezetet az indítás alatt védő burkolat. Ezt követően Cernan végrehajtotta a második amerikaiűrsétát.
AzApollo–10 volt azApollo-program másodikHoldat elérő küldetése. A legénység (Thomas Stafford parancsnok,John Young parancsnokimodul-pilóta ésEugene Cernan holdkomppilóta) 8 napos küldetésben kipróbálta azApollo-holdkompot. Stafford és Cernan a kompban 15 kilométerre közelítette meg a Hold felszínét.
ASzojuz–Apollo-program a világ első nemzetközi kísérleti űrállomása volt, amikor azApollo-ASTP (más jelöléssel:Apollo-18) összekapcsolódott a szovjetSzojuz-19 űrhajóval 1975. júliusában. Az amerikai legénység parancsnoka Thomas Stafford, a parancsnoki modul pilótájaVance Brand, a dokkolómodul pilótája pedigDonald Slayton.
Stafford 1979-ben szerelt le aNASA űrhajóskötelékéből és a légierőtől. Szülővárosának, Weatherfordnak repülőtere az ő nevét viseli.