Корабль «Восход-2» с Алексеем Леоновым (второй пилот) и Павлом Беляевым (командир) стартовал с космодрома Байконур 18 марта 1965 года (10:00 мск). Когда корабль совершал первый виток вокруг Земли, была надута шлюзовая камера, на втором витке начался выход Алексея Леонова в космос. Космонавт пять раз удалялся от корабля на расстояние до 5,35 м. Для подачи кислорода и связи с бортом «Восхода-2» (параметры орбиты — от 167 км до 475 км) использовался страховочный трос.
Общее время, проведенное Алексеем Леоновым в безвоздушном пространстве, составило 23 мин. 41 сек., из них 12 мин. 9 сек. — за пределами корабля (в свободном полете). На внешней поверхности корабля были установлены две телевизионные камеры, которые передавали изображение на Землю. Кроме того, сам космонавт вел съемку специальной кинокамерой С-97.
Выход не обошелся без нештатных ситуаций. Из-за разницы давления скафандр раздулся. Это препятствовало возвращению космонавта в шлюзовую камеру (диаметр люка был критически малым). Поэтому Леонов, рискуя жизнью, вынужден был стравливать в скафандре давление почти до критического (с 0,4 до 0,27 атмосфер). В нарушение инструкции космонавту пришлось входить в шлюзовую камеру головой вперед, а для закрытия за собой люка — переворачиваться в тесном пространстве (из рассказа Алексея Леонова в книге «Мировая пилотируемая космонавтика: История. Техника. Люди», 2005).
Общая продолжительность полета «Восхода-2» составила 1 сутки 2 часа 2 минуты.
