La station MOL est un cylindre long de 21,92 mètres avec le vaisseau Gemini d'un diamètre extérieur de 3,05 mètres pesant environ 14,5 tonnes. La station peut emporter une charge utile de 2,7 tonnes. Pour contrôle son orientation, la station dispose de petits moteurs capable de fournir un delta-v total de 101 m/s. MOL dispose d'une puissance électrique de 2 kW fournie par des panneaux solaires ou des piles à combustibles. L'atmosphère intérieure est composée d'oxygène et d'hélium.
La station est placée sur une orbite polaire ou héliosynchrone par une fusée Titan-IIIM avec son équipage de deux astronautes et un vaisseau spatial Gemini B. Une fois en orbite, l'équipage pénètre dans la station grâce au tunnel qui traverse le bouclier thermique. La durée de la mission est de 40 jours. La station doit permettre d'effectuer des observations avec des caméras dotées d'optique de grande taille. A la fin de la mission, l'équipage réintègre le vaisseau Gemini B avec les pellicules photos des observations effectuées. Le vaisseau se détache de la station, qui n'est plus réutilisée, et effectue une rentrée atmosphérique classique.
Des astronautes sont sélectionnés pour constituer les équipages de la station spatiale MOL : 8 astronautes en 1965, 5 en 1966 et 4 en 1967. Après l'arrêt du programme, 7 de ces astronautes sont embauchés par la NASA : Richard H. Truly de la première sélection, l'ensemble de la seconde sélection et Donald H. Peterson de la troisième sélection. Toutes ces recrues participeront à des missions de la navette spatiale américaine.