Er war der jüngste der Gruppe. Jeder der Astronauten bekam eine Spezialaufgabe zugewiesen, und Cooper sollte sich dabei um die Redstone-Rakete kümmern, die an das Mercury-Raumschiff angepasst werden musste. Außerdem war er damit beschäftigt, ein Mehrzweckmesser zu entwerfen, das die Astronauten im Falle einer Notlandung oder -wasserung gebrauchen konnten.
Bei den Flügen Mercury-Atlas 6 und Mercury-Atlas 7 arbeitete Cooper als Verbindungssprecher (Capcom) in der Flugleitung. Am 27. Juni 1962 wurde er dann für den nächsten Flug, Mercury-Atlas 8 mit Walter Schirra, als Ersatzpilot nominiert. Dieser Flug fand am 3. Oktober 1962 statt.
Gordon Cooper, der als einziger der sieben Astronauten noch auf seinen Einsatz wartete (Deke Slayton war aufgrund von Herzproblemen nicht mehr flugtauglich), wurde am 13. November 1962 als Pilot des letzten Mercury-Raumschiffs nominiert. Während sich fünf seiner Kollegen neuen Aufgaben im Bereich von Gemini und Apollo zuwandten, konzentrierten sich Gordon Cooper und sein Ersatzpilot Alan Shepard auf die letzte Phase von Mercury.
Am 15. Mai 1963 startete Cooper dann mit Mercury-Atlas 9 zu seinem ersten Weltraumflug. Das Raumschiff hatte er Faith 7 genannt. Er umkreiste die Erde 22 Mal und verbrachte damit mehr Zeit im All als seine fünf Vorgänger zusammen. Er war der erste Amerikaner, der in der Erdumlaufbahn schlief. Nacheinander fielen jedoch verschiedene Systeme aus, und Cooper musste die Bremsraketen manuell zünden.
34 Stunden und 19 Minuten nach dem Start wasserte er im Pazifischen Ozean und schloss damit das Mercury-Programm ab. Ein weiterer Langzeitflug, mit Alan Shepard als Astronaut und Cooper als Ersatzmann, war zwar noch in der Diskussion, wurde aber nicht mehr durchgeführt, um sich ganz auf das Gemini-Programm konzentrieren zu können. Gordon Cooper war damit der letzte NASA-Astronaut, der allein in den Weltraum flog.
Im Rahmen des Gemini-Programms wurde Cooper das Kommando über Gemini 5 übertragen. Sein Pilot war Charles Conrad. Dieser Flug wurde vom 21. August bis zum 29. August 1965 durchgeführt und bedeutete mit 190 Stunden einen neuen Langzeitrekord. Cooper war der erste Astronaut, der zweimal im Orbit war, und summierte damit seine Weltraumerfahrung auf 225 Stunden. Für den abschließenden Flug des Gemini-Programms, Gemini 12 im November 1966, wurde Cooper noch einmal als Ersatzkommandant eingeteilt, kam aber nicht zum Einsatz.
Im Apollo-Programm diente Cooper als Ersatz-Kommandant für Apollo 10, das im Mai 1969 die Generalprobe für die Mondlandung durchführte. Cooper erhoffte sich gute Chancen, als Kommandant von Apollo 13 als fünfter Mensch den Mond zu betreten. Als sich aber Alan Shepard nach langer gesundheitlich bedingter Fluguntauglichkeit zurückmeldete, ging das Kommando von Apollo 13 an ihn. Später wurde Shepards Mannschaft zu Apollo 14 eingeteilt, um Shepard mehr Zeit zur Vorbereitung zu geben. Das Kommando von Apollo 13 wurde dann jedoch Jim Lovell übertragen.
Deke Slayton, der die Mannschaftseinteilungen im Apollo-Programm vornahm, schrieb in seinen Memoiren, er habe nie beabsichtigt, Cooper mit einer weiteren Mission zu betrauen, und ihn lediglich aufgrund des Mangels an qualifizierten Astronauten als Ersatz-Kommandant von Apollo 10 berufen. Bereits seit dem Gemini-Programm war Cooper aufgrund seines mangelnden Engagements im Training und der Teilnahme an Autorennen beim NASA-Management zunehmend in Misskredit geraten.
Cooper verließ die NASA und die Luftwaffe 1970. Er wechselte in die Wirtschaft und war in verschiedenen Firmen als technischer Berater in den Bereichen Luftfahrt und Elektronik tätig. Am 4. Oktober 2004 starb Gordon Cooper in seinem Haus in Ventura, Kalifornien. Er hinterließ vier Töchter aus zwei Ehen. Ein Teil seiner Asche wurde im Weltall bestattet.
Während der Mercury-Atlas-9-Mission entdeckte Cooper mithilfe von Messgeräten, die eigentlich versteckte Raketensilos der Sowjetunion aufspüren sollten, Stellen im Ozean, an denen er Schätze in gesunkenen Schiffswracks vermutete. Seine Notizen dienten als Vorlage für eine Doku-Soap des Discovery Channels namens Coopers Geheimnis.