Запуск состоялся 25 марта. «Пятый космический корабль-спутник» массой 4695 кг вышел на околоземную орбиту. Кроме дворняги Удачи-Звёздочки, на борту находились морские свинки, пресмыкающиеся, крысы, мухи, семена различных растений, бактерии и микроорганизмы, культуры клеток (элементы крови и раковые клетки человека). В катапультируемом кресле сидел «Иван Иванович» – манекен, одетый в настоящий оранжевый скафандр; его деревянные ноги были обуты в гермосапоги. Чтобы не напугать людей, которые могли обнаружить его после приземления раньше спасательной команды, за окошком белого гермошлема была прикреплена табличка с надписью «Макет». Сделав один виток по орбите, корабль совершил мягкую посадку на территории СССР, в 45 километрах от города Воткинска. Как и в предыдущем случае, опять не отделился герморазъем кабель-мачты, из-за чего перелет расчетной точки посадки составил 660 км.
Итоги «генеральной репетиции» не добавили уверенности, что пилотируемый полет пройдет идеально. Система жизнеобеспечения нуждалась в доработке. Но главное – никто не мог объяснить, почему не отделяется кабель-мачта. Времени на решение этой проблемы не оставалось. Американцы готовили свой космический корабль «Меркурий» к суборбитальному прыжку. Нужно было принимать решение, за последствия которого нес ответственность только один человек – главный конструктор Сергей Павлович Королёв.
29 марта 1961 года руководители ОКБ-1 подписали отчет «О ходе экспериментальной отработки кораблей “Восток”». В нем, в частности, было указано на проблему разделения отсеков корабля перед входом в атмосферу, что привело к значительному перелету района посадки. По идее, Королёв должен был начать расследование, назначить новые испытания, провести еще один беспилотный запуск и выяснить причины такого странного отклонения от нормы. Но тогда он отдал бы первенство американцам. Пришлось рискнуть. В конце концов, неотделение гермоплаты не привело к гибели кораблей. Сама природа позаботилась о резервной схеме посадки – кабель-мачта перегорала при движении в атмосфере. Для того чтобы не вносить разброд и шатания в среду главных конструкторов, Сергей Павлович не стал предавать широкой огласке подробности разделения отсеков. Ничего не узнали о них и космонавты.
Госкомиссия заслушала предложение Королёва о запуске человека на борту корабля «Восток». В тот же день состоялось заседание Военно-промышленной комиссии Совета министров, которая единогласно решила следующий пуск сделать пилотируемым, несмотря на недоработки. Комиссия отредактировала и подписала доклад в ЦК КПСС о готовности к проведению первого в мире полета человека в космос. К докладу приложили три варианта сообщения ТАСС: 1) об успешном полете (оглашается сразу после выведения); 2) об успешной посадке (сразу после посадки); 3) об аварийной посадке в океане или на чужой территории с просьбой к государствам оказать помощь космонавту. Запуск предлагалось провести в период с 10 по 20 апреля.
30 марта члены отряда космонавтов побывали на Красной площади, посетили Мавзолей Ленина. Сегодня мы можем сколько угодно иронизировать по этому поводу, но в то время такой визит был вполне логичным демонстрационным актом, выражавшим патриотический настрой офицеров, которым вскоре предстояло стать олицетворением всего Советского Союза. Разумеется, вскоре такое посещение сделали традицией.
3 апреля прошло заседание Президиума ЦК КПСС, на котором создатели ракетно-космической системы «Восток» доложили высшему руководству о своей готовности запустить первого человека на орбиту. Глава государства Никита Сергеевич Хрущёв спросил: «У кого есть сведения, как поведет себя космонавт уже в первые минуты полета, не будет ли ему очень плохо, сможет ли он сохранить свою работоспособность, выдержку и психическую уравновешенность?» Никто из присутствующих не смог однозначно ответить. Сергей Королёв, не вдаваясь в тонкости, заявил: «Космонавты подготовлены отлично, они знают корабль и условия полета лучше меня и уверены в своих силах».
4 апреля Главнокомандующий ВВС выдал полетные удостоверения всем трем космонавтам, поскольку все еще не было определено, кто полетит первым. Николай Петрович Каманин сделал такую запись в своем дневнике:
5 апреля в Тюра-Там из Москвы отправились те же три «Ил-14», что и в марте. Космонавты снова летели на разных самолетах: на одном – Гагарин, Нелюбов и Попович, на втором – Титов, Николаев, Быковский. На аэродроме полигона их встречали Сергей Королёв, Марк Галлай и офицеры штаба.