С 15 августа 1964 по 25 февраля 1965 года проходил подготовку в качестве второго пилота основного экипажа космического корабля «Восход-2» по программе выхода в открытый космос, вместе с Павлом Беляевым. Выполнил 12 полетов на Ту-104ЛЛ, отрабатывая выход в открытый космос на макете ЗКД («Восход») и 6 полетов на Ил-14 для тренировки с СМК-3.
С 18 по 19 марта 1965 года в качестве второго пилота космического корабля «Восход-2», вместе с Павлом Беляевым.
В ходе полета совершил первый в мире выход в открытое космическое пространство продолжительностью 23 минуты 41 секунда (из них 12 минут 09 секунд вне корабля, удалялся от корабля на 5,35 метра).
При выходе возникли несколько нештатных ситуаций.
Позывной: «Алмаз-2».
При возвращении на Землю из-за отказа системы автоматического управления (из-за отклонений в работе системы ориентации корабля на Солнце) Павел Беляев осуществил ручное управление посадкой, которая произошла в нерасчетном районе в 180 километрах севернее города Пермь. Экипаж был обнаружен через четыре часа после посадки в тайге между деревнями Сороковая и Щучино, но из-за глубокого снега был эвакуирован с места посадки только через двое суток.
Продолжительность полета составила 1 сутки 02 часа 02 минуты 17 секунд.
С 10 января 1967 по 8 января 1970 года проходил подготовку по программе облета Луны на космическом корабле Л-1 сначала в составе группы, а затем в качестве командира экипажа, вместе с Олегом Макаровым.
С 21 января по 13 сентября 1968 года проходил непосредственную подготовку по программе Н1-ЛЗ (полет на Луну) в качестве командира экипажа, вместе с Олегом Макаровым. В рамках подготовки отрабатывал действия по пилотированию лунного корабля при посадке на Луну и взлете с нее на вертолетных тренажерах Ми-4 и Ми-8, а также прошел тренировки по переходу из лунного орбитального корабля в лунный корабль и обратно в скафандре «Орлан-94».
13 мая 1970 года был назначен командиром второго экипажа для полета на ДОС-1 «Салют». С 18 сентября 1970 по 20 марта 1971 года проходил непосредственную подготовку к полету на ДОС-1 «Салют» в качестве командира дублирующего экипажа по программе первой экспедиции, вместе с Валерием Кубасовым и Петром Колодиным. Во время старта космического корабля «Союз-10» 23 апреля 1971 года был дублером командира корабля.
С 27 апреля по 27 мая 1971 года проходил подготовку в качестве командира основного экипажа для полета по программе первой экспедиции на ДОС-1 «Салют», вместе с Валерием Кубасовым и Петром Колодиным.
4 июня 1971 года (за два дня до старта) решением Госкомиссии основной экипаж отстранен от полета из-за обнаруженного у Валерия Кубасова затемнения в легких.
С 16 июня по 9 июля 1971 года готовился в качестве командира основного экипажа по программе второй экспедиции на ДОС-1 «Салют», вместе с Николаем Рукавишниковым и Петром Колодиным. Старт планировался на 20 июля 1971 года на космическом корабле «Союз-12». Из-за гибели экипажа «Союза-11» полет был отменен.
С 10 октября 1971 по июль 1972 года проходил подготовку в качестве командира основного экипажа первой экспедиции на ДОС-2 «Салют», вместе с Валерием Кубасовым. Полет был отменен из-за аварии 29 июля 1972 года ракеты-носителя «Протон» во время запуска ДОС-2 «Салют».
С августа по сентябрь 1972 года проходил подготовку в качестве командира основного экипажа, вместе с Валерием Кубасовым, по программе испытательного автономного полета на космическом корабле 7К-Т № 34 с целью испытания новых скафандров «Сокол-К». Решением Госкомиссии полет был отменен и корабль 7К-Т № 34 совершил беспилотный полет.
С 25 октября 1972 по 10 апреля 1973 года проходил подготовку в качестве командира основного экипажа первой экспедиции на ДОС-3 «Салют», вместе с Валерием Кубасовым. Полет был отменен из-за аварии ДОС-3 «Салют» (получившей в открытой печати наименование «Космос-557») на орбите в мае 1973 года.
С мая 1973 по 16 июня 1975 года проходил подготовку в качестве командира основного экипажа по программе ЭПАС, вместе с Валерием Кубасовым.
С 15 по 21 июля 1975 года в качестве командира космического корабля «Союз-19» по программе ЭПАС вместе с Валерием Кубасовым.
В ходе полета впервые была выполнена стыковка на орбите кораблей разных стран – «Союз-19» (СССР) и «Аполлон» (США).
Позывной: «Союз-1».
Продолжительность полета составила 5 суток 22 часа 30 минут 51 секунда.
Член политической партии «Единая Россия» (член Высшего политсовета).
Сопрезидент, член Исполнительного комитета Ассоциации исследователей космоса (The Association of Space Explorers).
Действительный член Международной академии астронавтики.
Президент Международного фонда поддержки космонавтики.
Дважды Герой Советского Союза (23 марта 1965 года, 22 июля 1975 года).
Летчик-космонавт СССР (1965).
Герой Социалистического Труда НРБ.
Герой Труда ДРВ.
Заслуженный мастер спорта СССР (1965).
Почетный член Российской академии художеств.