Полет осуществлялся на Космическом корабле «Восход-2» - последнем в серии «Восход», стартовавшем 18 марта 1965 года в 10 часов московского времени с космодрома Байконур. Масса корабля, выведенного на орбиту, составляла 5682 кг. Командиром корабля был Павел Иванович Беляев, пилотом - Алексей Архипович Леонов. Период одного оборота вокруг Земли составлял 91 минуту, длительность полета 1 сутки 2 часа 2 минуты и 17 секунд.
Выход осуществлялся через впервые разработанную, надутую на первом витке полета космического корабля, шлюзовую камеру «Волга» с использованием скафандра вентиляционного типа «Беркут». Во время выхода скафандр был связан с бортом корабля фалом и специальным электрическим кабелем, так как не был полностью автономным.
Выход в открытый космос начался на втором витке. Беляев с пульта управления открыл люк в шлюзовую камеру и Леонов в скафандре перебрался в неё. Беляев закрыл за ним люк и начал разгерметизацию камеры. В это время корабль находился над Египтом - вне зоны радиосвязи с наземными пунктами слежения на территории СССР.
За 2 минуты до выхода Беляев открыл наружный люк шлюзовой камеры и Алексей Леонов оказался в космическом вакууме. В 11часов 34минуты 51секунд Леонов выплыл в безвоздушное пространство. Пять раз он удалялся от корабля и возвращался к нему. Леонов был связан с кораблём фалом, длина которого составляла более 5 метров. Оттолкнувшись от корабля, Леонов проплывал над Чёрным морем, Кавказским хребтом, Волгой, Иртышем, Енисеем.
На внешней поверхности корабля были установлены две телевизионные камеры, которые передавали изображение на Землю, а сам Леонов вел съёмку спецкамерой С-97. В момент, когда Леонов вышел в открытый космос, Беляев воскликнул в эфире: «Внимание! Человек вышел в космическое пространство! Человек вышел в космическое пространство!».
Общее время первого выхода составило 23 минуты 41 секунду (из них вне корабля 12 минут 9 секунд), и по его итогам был сделан вывод о возможности человека выполнять работы в открытом космосе.
