Схема Армстронга позволила Слейтону определить, когда пришло время дополнить отряд новыми астронавтами – итогом стало июньское заявление 1963 года NASA в Хьюстоне о новом наборе в астронавты от десяти до пятнадцати человек. В третьем раунде отбора предельный возраст кандидата был понижен с тридцати пяти лет до тридцати четырех. Кандидатам уже не требовалось непременно быть летчиками-испытателями, и к ним применялись более широкие критерии научного и инженерного соответствия нуждам лунных экспедиций Apollo. Одиннадцать из четырнадцати новых астронавтов, принятых в октябре 1963 года, оказались летчиками-испытателями; пятеро из ВВС: Донн Айзли, Чарльз Бассетт, Майкл Коллинз, Теодор Фримен и Дэвид Скотт; двое флотских летчиков: Алан Вин и Ричард Гордон-младший; а также один человек из Корпуса морской пехоты – Клифтон Уильямс. Остальные шестеро тоже были пилотами с различным уровнем академической подготовки и пилотского опыта: Эдвин Олдрин-младший с позывным «Баз», пилот-истребитель из ВВС Уильям Андерс, летчики ВМФ Юджин Сернан и Роджер Чаффи, а также двое гражданских лиц: бывший пилот Корпуса морской пехоты Уолтер Каннингем и отставной летчик ВВС Рассел Швейкарт.
Именно в компании этих выдающихся астронавтов Армстронгу и пришлось отправляться в космические полеты: с Дэйвом Скоттом на Gemini VIII, и с Базом Олдрином и Майком Коллинзом – на Apollo 11.
8 февраля 1965 года Армстронг впервые получил назначение в летный экипаж: Слейтон дал ему место командира дублирующего экипажа Gemini V, основным экипажем которого командовал Гордон Купер. Несмотря на то что основной задачей экспедиции была демонстрация готовности к сближению кораблей в космосе, астронавтам также предстояло совершить полет продолжительностью восемь полных суток. Это вдвое превышало планируемую длительность полета Gemini IV, который должны были выполнить Джим Макдивитт и Эд Уайт.
Компаньоном Армстронга по дублирующему экипажу стал Эллиот Си. Он замещал бы в случае необходимости Пита Конрада, который в основном экипаже занимал правое сиденье в кабине корабля рядом с командиром Купером. Как сказал Армстронг, «поскольку весь смысл заключался в том, чтобы обогнать русских и попасть на Луну до конца десятилетия, соблюдение расписания было чрезвычайно важно». Нил «по-настоящему радовался своему назначению в полет и своей позицией дублера для Гордона Купера». После прикрепления к экипажу Gemini V Армстронг продолжил обычные тренировки, но теперь они занимали лишь одну треть его рабочего времени. Другая треть «была связана с планированием, определением техники и методов, которые позволили бы нам использовать лучшие траектории и циклограммы». И еще одна треть времени посвящалась испытаниям: «.. тысячи часов в лабораториях и космическом корабле, потраченные на проведение испытаний всевозможных систем, чтобы проверить, действительно ли они работают, и узнать, как в точности они работают. Очень много проверок и испытаний приходилось на два часа ночи. Мы постоянно экзаменовали друг друга. Вчетвером мы провели кучу времени вместе, отрабатывая каждую деталь. Не могу сказать, что мы ни разу не выдали шутку-другую и вообще не говорили о не имеющих отношения к проекту вещах, но на девяносто восемь процентов мы были сосредоточены на работе, которую нам требовалось выполнить».
Подготовка к роли дублера на Gemini V не отменяла обязанностей Армстронга по поддержке полета Gemini III, который предстояло выполнить Гасу Гриссому и Джону Янгу на их корабле, получившем индивидуальное название Molly Brown[50]
. На время полета Gemini III, первого пилотируемого полета по программе Gemini, Нил отправился в недельную командировку на гавайский остров Кауаи, чтобы работать на расположенной там станции командно-телеметрической сети слежения за спутниками. Станция «Кауаи» на самом северном из Гавайских островов была обозначена как «головная», и через нее передавались голосовые команды на борт корабля Gemini. «Вторичные» станции, такие как станция «Карибское море» на Большом Багамском острове, занималась только радарными измерениями и передачей телеметрии.