18 марта 1965 года в 10 часов 00 минут по московскому времени с первой площадки космодрома Байконур был осуществлен запуск космического корабля 3КД № 4 (“Восход-2”). На его борту находился экипаж в составе командира корабля полковника Беляева Павла Ивановича и второго пилота подполковника Леонова Алексея Архиповича.
Подготовка к выходу второго пилота в космическое пространство началась сразу же после выведения корабля на околоземную орбиту. На втором витке вокруг Земли Алексей Леонов вышел в открытый космос. В безопорном пространстве он совершил пять отходов и подходов к кораблю. Самый первый отход он выполнил на минимальное расстояние – около одного метра. В последующих отходах второй пилот удалялся от корабля на полную длину фала – на пять метров.
Плавая в безопорном пространстве, космонавт вел телефонные переговоры с командиром корабля и наземными станциями связи, определял возможности ориентации человека в открытом космосе.
Когда “Восход-2” пролетал над Сибирью, Алексей Леонов вернулся внутрь корабля. Это удалось сделать с трудом, поскольку скафандр раздулся из-за большой разницы во внутреннем и внешнем давлении.
После завершения выхода в космос Алексея Леонова, экипаж корабля проводил навигационные эксперименты, наблюдал за метеорологическими процессами в земной атмосфере, изучал ее оптические характеристики. Павел Беляев и Алексей Леонов выполнили также значительный объем медицинских исследований, продолжили исследования вестибулярного аппарата.
Готовясь к посадке, космонавты заметили некоторые отклонения в системе ориентации корабля на Солнце. Было принято решение о посадке корабля на 18-м витке с помощью ручного управления.
Управляемый Павлом Беляевым корабль сошел с орбиты и 19 марта 1965 года в 12 часов 02 минуты совершил посадку в 180 километрах от города Перми. Так как место посадки оказалось в тайге, поисково-спасательная служба смогла эвакуировать космонавтов только через двое суток после приземления – 21 марта.
Уже весной 1965 года, почти сразу же после завершения полета “Восхода-2”, встал вопрос о продолжении программы полетов космических кораблей этой серии. Но “полоса везения” для советской космонавтики явно подошла к концу. Генерал Николай Каманин писал в своем дневнике: