9 марта 1965 года экспедиция Центра подготовки космонавтов вместе с экипажами вылетела на полигон. 11 марта первый экипаж произвел «отсидку» в корабле. Второму экипажу поработать в нем не дали – не осталось времени.

13 марта прошли последние контрольные занятия с экипажем. Когда они закончились, Королев сказал: «Ну что ж, друзья, наверное, я в последний раз с вами на пуске. „Востоки“ и „Восходы“ слишком дорого мне обошлись…» Его слова оказались пророческими: пилотируемый запуск «Восхода-2» оказался для главного конструктора последним.

18 марта 1965 года космический корабль «3КД» № 4 вышел на орбиту. На его борту находились Павел Беляев и Алексей Леонов под позывными «Алмазы». Масса корабля была рекордной: 5682 кг – на 362 кг больше массы трехместного «Восхода». Рекордной оказалась и орбита: максимальная высота полета на первом витке составила 495 км.

Подготовка к выходу второго пилота корабля в открытый космос началась сразу после выведения, когда прошла команда на раскрытие двухметрового шлюза, который находился в сложенном состоянии под головным обтекателем ракеты. Когда «Восход-2» шел над Африкой в конце первого витка, Павел Беляев помог Алексею Леонову надеть наспинный ранец с запасом кислорода для дыхания. Леонов «вплыл» в шлюзовую камеру, где вторично проверил скафандр на герметичность при закрытых входном и выходном люках. К 11:28 по московскому времени давление в шлюзовой камере было снижено до нуля. Космонавт открыл люк и через пару минут вместе с кинокамерой «выплыл» в открытое космическое пространство на пятиметровом фале. При этом он увидел Черное море и горы Кавказа.

Установив кинокамеру на кронштейн на обрезе люка шлюзовой камеры и выбросив ее крышку в космос, держась за фал, Леонов сделал первый отход от корабля на минимальное расстояние – около метра, чтобы выяснить возможности ориентации в новых условиях. В этот момент Павел Беляев объявил на весь мир: «Внимание! Человек вышел в космическое пространство! Человек вышел в космическое пространство!». Изображение парящего на фоне планеты Алексея Леонова транслировалось по всем телеканалам. В последующих отходах космонавт удалялся от корабля на полную длину фала. Все движения в космосе он выполнял в той же последовательности, что и на тренировках: отходил от корабля спиной, а подходил головой вперед с вытянутыми руками, чтобы предупредить возможный удар о поверхность. В один из моментов, когда Леонов оттолкнулся от корабля, его закрутило: перед его глазами стали проплывать звезды, вид их сменялся видами земной поверхности и Солнца. Всего космонавт совершил пять отходов и подходов. «Плавая» в пространстве, он вел телефонные переговоры с Беляевым и наземными пунктами связи. Установленные в кабине корабля приборы позволяли командиру контролировать пульс, дыхание Леонова и работу системы жизнеобеспечения.

За пять минут до входа корабля в земную тень космонавт вместе с кинокамерой и бухтой фала начал вход в шлюзовую камеру через ее открытый люк. Следуя инструкции, он старался войти вперед ногами, но скафандр раздулся так, что не позволял этого сделать. Позднее Алексей Леонов рассказывал об этом так:

«Когда создавали корабль для выхода в открытый космос, то приходилось решать множество проблем, одна из которых была связана с размером люка. Чтобы крышка открывалась внутрь полностью, пришлось бы урезать ложемент. Тогда бы я в него не поместился в плечах. И я дал согласие на уменьшение диаметра люка. Таким образом, между скафандром и обрезом люка оставался зазор по 20 мм с каждого плеча.

На Земле мы проводили испытания в барокамере при вакууме, соответствующем высоте 60 км… В реальности, когда я вышел в открытый космос, получилось немного по-другому. Давление в скафандре – около 600 мм, а снаружи – 10-9; такие условия на Земле смоделировать было невозможно. В космическом вакууме скафандр раздулся, не выдержали ни ребра жесткости, ни плотная ткань. Я, конечно, предполагал, что это случится, но не думал, что настолько сильно. Я затянул все ремни, но скафандр так раздулся, что руки вышли из перчаток, когда я брался за поручни, а ноги – из сапог. В таком состоянии я, разумеется, не мог втиснуться в люк шлюза. Возникла критическая ситуация, а советоваться с Землей было некогда. Пока бы я им доложил… пока бы они совещались… И кто бы взял на себя ответственность? Только Паша Беляев это видел, но ничем не мог помочь. И тут я, нарушая все инструкции и не сообщая на Землю, перехожу на давление 0,27 атмосфер. Это второй режим работы скафандра. Если бы к этому времени у меня не произошло вымывание азота из крови, то закипел бы азот – и все… гибель. Я прикинул, что уже час нахожусь под чистым кислородом и кипения быть не должно. После того, как я перешел на второй режим, все „село“ на свои места. На нервах сунул в шлюз кинокамеру и сам, нарушая инструкцию, пошел в шлюз не ногами, а головой вперед. Взявшись за леера, я протиснул себя вперед. Потом я закрыл внешний люк и начал разворачиваться, так как входить в корабль все равно нужно ногами. Иначе я бы не смог, ведь крышка, открывающаяся внутрь, съедала 30 % объема кабины. Поэтому мне пришлось разворачиваться… Вот здесь была самая большая нагрузка, у меня пульс дошел до 190. Мне все же удалось перевернуться и войти в корабль ногами, как положено, но у меня был такой тепловой удар, что я, нарушая инструкции и не проверив герметичность, открыл шлем, не закрыв за собой люк. Вытираю перчаткой глаза, а вытереть не удается, как будто на голову кто-то льет…

Но самое страшное было, когда я вернулся в корабль, – начало расти парциальное давление кислорода, которое дошло до 460 мм и продолжало расти. Это при норме 160 мм! Но ведь 460 мм – это гремучий газ, ведь Бондаренко сгорел на этом… Вначале мы в оцепенении сидели. Все понимали, но сделать почти ничего не могли: до конца убрали влажность, убрали температуру (стало 10–12°). А давление растет… Малейшая искра – и все превратилось бы в молекулярное состояние, и мы это понимали. Семь часов в таком состоянии, а потом заснули… видимо, от стресса. Потом мы разобрались, что я шлангом от скафандра задел за тумблер наддува… Что произошло фактически? Поскольку корабль был долгое время стабилизирован относительно Солнца, то, естественно, возникла деформация; ведь с одной стороны охлаждение до -140 °С, с другой нагрев до +150 °С… Датчики закрытия люка сработали, но осталась щель. Система регенерации начала нагнетать давление, и кислород стал расти, мы его не успевали потреблять… Общее давление достигло 920 мм. Эти несколько тонн давления придавили люк – и рост давления прекратился. Потом давление стало падать на глазах».

На этом неприятности экипажа «Восхода-2» не закончились. По программе полета корабль «Восход-2» после отстрела шлюзовой камеры на семнадцатом витке должен был совершить посадку 19 марта 1965 года в Кустанае с помощью автоматической системы управления. На шестнадцатом витке по командам с Земли была включена программа ориентации и спуска. На посадочном витке от «Востока-2» была отстрелена шлюзовая камера. Однако в результате подрыва детонирующего кабеля произошел удар по корпусу корабля, и тем самым корабль был «закручен» в двух плоскостях, что привело к выходу из строя системы ориентации корабля по Солнцу, а это в свою очередь создало невозможность включения в автоматическом режиме тормозной двигательной установки.