Корабль «Восток» вышел на орбиту высотой в перигее 181 км и в апогее 327 км. Высота апогея орбиты стала первой серьезной проблемой – она оказалось выше расчетной на 80 км. Причиной оказался сбой в системе радиоуправления – разделение третьей ступени с кораблем произошло на полсекунды позже. Как следствие, почти на секунду задержалась предварительная команда на выключение двигателей центрального блока ракеты. Вся циклограмма запуска сдвинулась во времени, и в итоге корабль набрал скорость, превышавшую запланированную на 24,53 м/с. Именно это и привело к столь значительному увеличению апогея. Но ведь расчетная высота выбиралась с тем прицелом, что если тормозная двигательная установка внезапно откажет, «Восток» в силу естественного торможения в высших слоях атмосферы сам сойдет с орбиты в течение пяти-семи суток. Под этот срок готовились и запасы системы жизнеобеспечения. Сход с реальной орбиты занял бы не меньше двух недель – к тому времени космонавт был бы мертв.

В ходе полета Юрий Гагарин поддерживал связь с научно-измерительными пунктами полигона Тюра-Там, в Колпашеве Томской области и в Елизове Камчатской области. Выйдя из зоны связи камчатского пункта, «Восток» вскоре прошел над Гавайскими островами, пересек Тихий океан, обогнул с юга мыс Горн и приблизился к Африке. Космонавт чувствовал себя хорошо, о чем постоянно докладывал измерительным пунктам. Попробовал «космическую» еду (щавелевое пюре с мясом, мясной паштет и шоколадный соус) и консервированную воду, подтвердив предположение ученых, что с питанием на орбите не должно возникнуть серьезных проблем. За космонавтом можно было наблюдать с помощью видиконной камеры системы «Селигер», установленной в кабине. Она передавала всего 100 строк при 10 кадрах в секунду, изображение получалось размытым, однако его вполне хватало, чтобы оценить состояние пилота «Востока».

Юрий Гагарин наблюдал Землю, звезды и космическое пространство, регистрировал показания приборов, надиктовывая их на бортовой магнитофон и записывая в бортжурнал. Случались мелкие неприятности. В невесомости от космонавта «уплыл» карандаш, и писать стало нечем. В магнитофоне вдруг закончилась пленка – Гагарин вручную перемотал ее на середину и продолжил запись; из-за этого голосовая информация о нескольких минутах полета была утрачена навсегда.

Поскольку полет был одновитковым, сразу после отделения корабля от ракеты-носителя включилось программно-временное устройство «Гранит-5В», которое в 9:51 запустило автоматическую систему ориентации. Когда корабль вышел из тени Земли и был сориентирован по Солнцу, в 10:25 прошло включение тормозной двигательной установки. Двигатель должен был отработать 41 секунду, но он выключился на секунду раньше из-за окончания горючего (причина – залипание обратного клапана, часть горючего попала в полость разделительного мешка, а не в камеру сгорания). В результате магистрали наддува двигателя остались открытыми и в них под давлением 60 атмосфер стал поступать азот, что привело к закрутке корабля со скоростью 30°/с. Юрий Гагарин описывал это так:

Досрочное отключение тормозной установки нарушило штатную схему, и команда на автоматическое разделение спускаемого аппарата и приборного отсека оказалась не выполнена. Ситуация сложилась уникальная, и Гагарин не мог оценить, насколько велика опасность такого развития событий. Однако Юрий Алексеевич не запаниковал. Он засек время по часам, продолжая с любопытством следить за происходящим. Мигали окошки прибора контроля режима спуска, корабль вращался. Гагарин понял, что перелет расчетного места посадки неизбежен, – как и в случае с собаками, но, прикинув на пальцах, решил, что сядет на территорию СССР. Поэтому не стал сообщать на Землю о внезапных проблемах.

В 10:36, через одиннадцать минут после включения тормозной установки, отсеки корабля все-таки разделились. Произошло это над Средиземным морем, на высоте около 115 км – по резервной схеме спуска от специальных термодатчиков, замерявших нагрев окружающей среды. По мере движения в атмосфере вращение «Востока» стало замедляться, а перегрузки плавно нарастать. Кабина озарилась ярко-багровым светом, который проникал даже сквозь опущенные шторки. Юрий Гагарин услышал потрескивание – он не знал, откуда идет этот звук, но предположил, что таким эффектом сопровождается тепловое расширение оболочки аппарата. В воздухе ощущался легкий запах гари. Тут о мелких неприятностях пришлось забыть, потому что из-за крутой траектории перегрузки возросли до 12 g (вместо штатных 9!) и в глазах у космонавта «посерело». Продолжалось такое состояние несколько секунд, после чего перегрузки начали плавно спадать.

Вход «Востока» в плотные слои атмосферы зарегистрировал измерительный пункт города Симферополя по пропаданию сигнала. В 10:42 при скорости около 210 м/с и на высоте 7 км по сигналу барореле прошел отстрел крышки люка – и кресло с космонавтом катапультировалось из спускаемого аппарата. Через полсекунды вышел тормозной парашют, обеспечивший стабилизированный спуск кресла до высоты около 4000 метров. Здесь был введен в действие основной парашют, который буквально сдернул космонавта с кресла. Одновременно отделился контейнер с носимым аварийным запасом массой 43 кг – он должен был повиснуть на 15-метровом фале, но оторвался и упал вниз. Как следствие, не заработал радиомаяк космонавта, а сам Гагарин лишился продуктового и вещевого запаса, аптечки, радиостанции, пеленгатора и надувной лодки, которая могла бы пригодиться при посадке на воду.

В этот момент Гагарин должен был открыть клапан дыхания – скафандр «СК-1» не снабжен баллонами, а потому конструкторы предусмотрели для космонавта возможность дышать окружающим воздухом. Однако шарик клапана оказался прикрыт демаскирующей оболочкой, и Юрий Алексеевич потратил шесть минут на то, чтобы справиться с ним. На высоте 3 км в соответствии с логикой работы системы спасения раскрылся запасной парашют – хотя космонавты еще до полета были против его автоматического введения, командование решило, что с запасным будет надежнее. Таким образом, Гагарин спускался под двумя куполами с вертикальной скоростью 4–5 м/с. Управлять ими космонавт не мог и почти до самой земли летел спиной вперед. Лишь на высоте 30 м его развернуло лицом по сносу – в положение, благоприятное для приземления. Сильный ветер северо-западного направления очень помог Гагарину: он отнес его от района катапультирования, которое произошло над весенним разливом Волги, на сушу.