Sau khi được phóng lên không gian, trong vòng bay đầu tiên xung quanh Trái Đất, phi hành đoàn Gemini-4 bắt đầu quá trình kết nối với tầng hai của tên lửa đẩy. Tuy nhiên, họ đã tiến hành không thành công. Sau một số nỗ lực tiếp cận nhưng đều thất bại và sử dụng hết một nửa số nhiên liệu mang theo, trung tâm điều khiển quyết định ngừng nhiệm vụ hai để tập trung vào thực hiện EVA. Theo kế hoạch, White sẽ tiến hành EVA trong vòng bay thứ hai, tuy nhiên, thời điểm này đã được dời sang vòng thứ 3 do phi hành đoàn cần có thời gian nghỉ ngơi.

Tại độ cao 120 dặm, White đã thực hiện thành công chuyến đi bộ ngoài không gian thứ hai trong lịch sử hàng không vũ trụ. Trong tổng cộng 22 phút. Withe đã tiến hành các động tác di chuyển ngoài không gian với sự trợ giúp của một khẩu súng khí nén và sợi dây dài 25 foot.

Sau khi thực hiện xong EVA, White và McDivitt đã tiến hành thêm 12 thí nghiệm khoa học và y học. Tổng cộng nhiệm vụ Gemini-4 kéo dài 4 ngày, bay 62 vòng quanh Trái Đất. Đây là chuyến bay lên không gian đầu tiên và cũng là cuối cùng của Edward H. White. Ngày 27/01/1967, White, Virgil I. Gus Grissom và Roger Chaffee đã hi sinh khi hoả hoạn xảy ra trongnhiệm vụ Apollo-1.