11 октября состоялся вывоз ракеты с кораблем на старт. При тестах выяснилось, что не работает телеметрическая система «Трал» третьей ступени. Систему пришлось менять прямо на ракете, уже установленной на стартовом столе. В этот же день Николай Каманин вручил командиру экипажа Владимиру Комарову коммунистические реликвии из Музея Ленина в Москве: портрет Карла Маркса, принадлежавший Владимиру Ильичу Ленину, фотографию Ленина с газетой «Правда» в руках и красный бант со знамени Парижской коммуны.

12 октября 1964 года в 10 часов 30 минут по московскому времени с 1-й площадки полигона Тюра-Там, известного всему миру как «космодром Байконур», стартовала ракета-носитель 11А57, которая вывела на орбиту первый в мире трехместный космический корабль «Восход», пилотируемый экипажем в составе: командир-инженер – полковник Владимир Комаров; научный сотрудник-космонавт – кандидат технических наук Константин Феоктистов, врач-космонавт – Борис Егоров. Во время выведения связь с экипажем поддерживал Юрий Гагарин.

Об успешном пуске Сергей Королев доложил Никите Хрущеву, отдыхавшему в Пицунде, а затем другим руководителям правительства, включая Леонида Брежнева. Однако последним было в те дни не до космоса. Подготовка государственного переворота, который произошел на следующий день, была в самом разгаре.

В это время экипаж под позывными «Рубины» приступил к выполнению программы полета. На первом витке Егоров провел медицинский контроль экипажа, затем все позавтракали. На втором витке космонавты передали приветствие участникам Олимпиады, проходившей в Токио. На третьем и четвертом витках космонавты проводили физиологические исследования: замеряли кровяное давление, легочную вентиляцию, брали мазки крови. С помощью специальных таблиц исследовалась работоспособность в первые часы полета. На четвертом витке экипаж пообедал. Затем, согласно плану полета, Комаров попытался уснуть. Феоктистов и Егоров несли вахту, вели переговоры с Землей. Феоктистов наблюдал за облаками, определял с помощью приборов их яркость, контрастность, фиксировал прозрачность при разных углах освещенности. Егоров исследовал сердечнососудистую систему и вестибулярный аппарат сначала у себя, потом у Феоктистова. На шестом витке Владимир Комаров вручную ориентировал корабль «по-посадочному», а Феоктистов фиксировал этот процесс. Егоров в это время отдыхал. На седьмом и восьмом витках состоялся телевизионный сеанс связи. На Земле впервые увидели лица космонавтов, а члены Госкомиссии смогли с ними пообщаться.

С девятого по тринадцатый витки «Восход» был вне зоны радиовидимости с территории Советского Союза. Экипаж продолжал работать по индивидуальным программам, отдыхая поочередно. На четырнадцатом витке космонавты передали параметры всех систем корабля и приняли рекомендации для ручного управления на случай отказа автоматики. На пятнадцатом витке Комаров вновь испытывал ручную систему управления и ориентации корабля. Феоктистов фотографировал горизонт, определял работоспособность по специальным тестовым таблицам. Егоров отдыхал.

Утром 13 октября Сергей Королев решил доложить Хрущеву о завершении полета. Он связался с Пицундой и получил согласие Никиты Сергеевича на посадку корабля. Необходимости в этом не было, корабль все равно бы сел, но согласия главы государства требовали политические соображения. Это был последний разговор главного конструктора с Хрущевым, которого через несколько часов отстранили от управления страной бывшие «соратники» по ЦК КПСС.

На шестнадцатом витке автоматически включилась система ориентации, а вскоре над Гвинейским заливом «ТДУ-1» была включена на торможение. Вскоре поступила информация, что пилот самолета «Ил-14», кружащего в зоне посадки, видит спускаемый аппарат на земле, а рядом с ним трех космонавтов, машущих руками. Самый рискованный советский космический полет, вопреки всем опасениям, завершился успешно.

В апреле 1964 года, когда работа над «Восходом» была в самом разгаре, в ОКБ-1 возникла идея с помощью дополнительной шлюзовой камеры осуществить выход одного космонавта в открытый космос. И после успешного полета трехместного корабля «Восход» все силы ОКБ-1 были брошены на реализацию приоритетной цели – осуществить выход в открытый космос раньше, чем успеют это сделать американцы на «Gemini».

К проектированию корабля «3КД» подключился вернувшийся из космоса Константин Феоктистов. Изготовление и заводские испытания двух кораблей «3КД» (с манекенами и для пилотируемого полета) шли достаточно быстро. Однако уже в феврале 1965 года при проверках систем беспилотного корабля обнаружили отказ второго комплекта телеметрической системы «Трал». На доставку аппаратуры из Львова и замену потребовалось семь дней. Из-за этого дата запуска «Восхода-2» сместилась с 22 февраля на начало марта. Затем было принято решение перенести полет пилотируемого «Восхода» на вторую половину марта, так как на 13 марта намечался запуск станции к Луне, а готовить два аппарата одновременно не было возможности.

22 февраля 1965 года с 31-й площадки полигона стартовала ракета 11А57, которая вывела на орбиту беспилотный «технологический» образец корабля «3КД» № 1, получивший официальное название «Космос-57». Телевизионная картинка с изображением обреза внешнего люка была на удивление четкой. Казалось, все идет нормально, но после второго витка корабль… пропал. С него не поступал ни один сигнал, не шла информация по телеметрическим каналам. Средства противоракетной обороны корабль на орбите тоже не обнаружили. При расшифровке телеметрии выяснилось, что одну из команд управления шлюзом передали на борт одновременно с двух наземных пунктов управления. В результате их наложения в дешифраторе сформировалась команда на спуск. Включилась тормозная двигательная установка, и корабль пошел на посадку, а поскольку он спускался в незапланированном районе, то сработала система автоматического подрыва объекта. Тем не менее было признано, что в целом испытания прошли успешно.

Подготовку в группе, нацеленной на полет в «Восходе-2» (программа «Выход»), проходили четыре кандидата: Павел Иванович Беляев, Алексей Архипович Леонов, Евгений Васильевич Хрунов и Виктор Васильевич Горбатко. Из них в июле 1964 года и сформировали два экипажа: первый – Беляев и Леонов, второй – Горбатко и Хрунов. К этому времени тренажера корабля «3КД» еще не было. Виктор Горбатко вспоминал:

«Тренировки проводили прямо на летном корабле. Его делали, а мы одновременно готовились и проводили как бы испытания этого корабля. Мне запомнилось, что даже воздух в кабину подавался снаружи по шлангу. И вот шланг этот где-то перегнулся… Как я не задохнулся – не знаю… Не помню, закончил я тренировку или все-таки увидели, что я задыхаюсь. В общем, когда меня вытащили оттуда, я нагнулся – и из шлема прямо вода потекла. Вылилось много воды… Вы ведь знаете, что в скафандре вокруг шеи облегает резина. Я так вспотел, что там полно влаги накопилось».

Очень тяжелые тренировки состоялись в самолете-лаборатории «Ту-104» в декабре 1964 года, где во время кратковременной невесомости приходилось отрабатывать весь процесс входа и выхода из шлюза корабля, использование фала для перемещения и другие операции. Когда тренировки были в самом разгаре, произошло чрезвычайное происшествие. 22 декабря на электрокардиограмме у Виктора Горбатко проявились отрицательные зубцы, говорящие о серьезном нарушении работы сердца. В результате 25 декабря он прекратил подготовку и попал на углубленное обследование в госпиталь. После долгого изучения организма кандидата выяснилось, что во всем виноваты… гланды. После их удаления состояние нормализовалось, но время было упущено: место Горбатко во втором экипаже занял Дмитрий Алексеевич Заикин.