Утром 6 августа 1961 года Герман Степанович Титов, под позывным «Орёл», поднялся на лифте в кабину космического корабля, и в 9:00 по московскому времени стартовал. «Восток-2» («3КА» № 4) вышел на орбиту с высотой 257 км в апогее и 178 км в перигее. Сообщение ТАСС о запуске передали через 20 минут – лишь после того, как убедились: системы корабля работают нормально, а космонавт чувствует себя хорошо. Тогда же прозвучало и предполетное заявление Титова, записанное заранее.
На первых витках самочувствие космонавта и впрямь было превосходным. Как и Гагарин до него, Титов прежде всего проверил работу радиоаппаратуры, выходя на связь с наземными измерительными пунктами. На втором витке продиктовал подготовленное приветствие «Центральному Комитету КПСС, Советскому правительству и лично Никите Сергеевичу Хрущёву». С Земли ему зачитали радиограмму за подписью Хрущёва. Тогда же Титов впервые провел съемку земной поверхности с помощью кинокамеры «Конвас» и продолжал ею заниматься в течение всего полета небольшими сеансами. Впоследствии превосходные цветные снимки были опубликованы в советских журналах.
На третьем витке Герман Титов пообедал. В меню входили 150 граммов супа-пюре с хлебом, мясной и печеночный паштеты в тубах, черносмородиновый сок. Космонавт отметил, что никаких неприятных ощущений при приеме пищи не возникает.
На четвертом витке Герман Титов впервые в истории провел процедуру ручного управления ориентацией корабля. Космонавт убедился, что корабль хорошо слушается, а подготовленный пилот способен быстро сориентировать его «по-посадочному». Позднее журналисты, рассказывавшие о «Востоке-2», внесли сумятицу, утверждая, будто бы Титов не просто ориентировал корабль, а «маневрировал» на орбите. На самом деле маневрировать корабль не мог в принципе – для этого на нем не было соответствующих систем.
На пятом витке информационное агентство ТАСС сообщило, что Титов чувствует себя превосходно, однако на самом деле у него стал развиваться кинетоз («болезнь укачивания»). Хотя космонавт бодрился и докладывал, что нормально переносит невесомость, врачи, получавшие данные о его организме по телеметрическим каналам, заподозрили неладное. И действительно – на четвертом витке, вызывавшем наибольшие опасения у специалистов, Титова сильно тошнило, закружилась голова. Особенно неприятные ощущения возникали при резких движениях головой – космонавт старался медленно поворачивать ее или держать неподвижно.
Несмотря на растущее чувство дискомфорта, Титов продолжал осуществлять программу полета. На шестом витке выполнил простые физические упражнения и воспользовался ассенизационным устройством, доказав его эффективность. Тогда же ему передали радиограмму от Юрия Гагарина:
На седьмом витке Титов попытался заснуть. Молодость взяла свое – космонавт не только уснул, но и умудрился проспать сеанс связи, назначенный на 2:00 по московскому времени. На двенадцатом витке измерительные пункты начали вызывать «Орла», но целых 37 минут Титов молчал, спровоцировав легкую панику среди специалистов. Во избежание повторения инцидента тут же было решено сконструировать космический будильник. Зато сон прогнал плохое самочувствие – организм адаптировался к невесомости. К еде Титов всё же больше не прикоснулся, до конца полета принимая только витаминные таблетки и воду. На тринадцатом витке его опять начало мутить, постоянно накатывала дремота.
На семнадцатом витке был выдан тормозной импульс, и корабль пошел вниз. При этом повторилась ситуация, которая уже была отмечена при полетах собак, – отсеки «Востока-2» разделились с большим опозданием, из-за чего спускаемый аппарат вновь приземлился в нерасчетном районе – на гороховое поле сельхозартели «40 лет Октября», в 13 км от поселка Красный Кут Саратовской области. Позднее специалисты ОКБ-1 провели тщательное расследование и наконец-то установили причину сбоя – ошибку при монтаже электроцепей, обеспечивающих разделение. В следующих кораблях серии «Восток» она была устранена.