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 – время поджимало.
13 марта прошли последние контрольные занятия с экипажем. Когда они завершились, Королёв сказал:
18 марта 1965 года космический корабль «Восход-2» («3КД» № 4), стартовав в 10:00 по московскому времени, вышел на орбиту. На его борту находились Павел Беляев и Алексей Леонов (позывной «Алмаз»). 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, сложенного 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 шлюзовой камеры и 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:
За пять минут до входа корабля в земную тень космонавт вместе с кинокамерой и бухтой фала решил возвращаться. Следуя инструкции, он старался войти в шлюз вперед ногами, но скафандр раздулся так, что не позволял этого сделать. Позднее Алексей Архипович Леонов рассказывал (цитирую по книге «Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди», 2005):