Хотя «Восток» для Юрия Гагарина специалисты готовили с особым тщанием, впоследствии на полигоне обнаружили и устранили свыше семидесяти мелких неисправностей. Например, контрольное взвешивание корабля с космонавтом в скафандре выявило перевес на 14 килограммов. Сразу возникла идея поменять космонавта, ведь дублер Герман Титов был легче Гагарина, но Сергей Королев распорядился облегчить сам корабль, сняв с него часть контролирующей аппаратуры. В срочном порядке инженеры всю ночь срезали «лишние» кабели и снимали оборудование, предназначенное для беспилотных полетов. В результате пострадали датчики давления и температуры – и, если бы корабль «застрял» на орбите, такое самоуправство могло закончиться печально.
12 апреля 1961 года, в 9:07 по московскому времени, ракета-носитель оторвалась от стартового комплекса полигона Тюра-Там и под задорный возглас Юрия Гагарина «Поехали!» устремилась в небо. Корабль «Восток» вышел на орбиту высотой в перигее 181 километр и в апогее 327 километров. Высота апогея стала первой серьезной проблемой полета, оказавшись выше расчетной на 80 км. Однако апогей выбирался с тем прицелом, что если тормозной двигатель ТДУ-1 внезапно откажет, то «Восток» в силу естественного торможения в высших слоях атмосферы сам сойдет с орбиты в течение пяти-семи суток. Под этот срок готовились и запасы системы жизнеобеспечения. Сход с реальной орбиты занял бы не меньше двух недель с печальным итогом для космонавта.
Юрий Гагарин об этом не знал. В ходе полета он поддерживал связь с научно-измерительными пунктами. Попробовал космическую еду и консервированную воду, тем самым опровергнув мнение о том, что питание в невесомости будет затруднено. Наблюдал Землю, звезды и космическое пространство, регистрировал показания приборов, надиктовывая их на бортовой магнитофон и записывая в бортжурнал.
Когда корабль вышел из тени Земли, в 10:25 прошло включение ТДУ-1. Двигатель должен был отработать 41 секунду, но выключился чуть раньше. В результате магистрали наддува остались открытыми и в них под большим давлением начал поступать азот. Это привело к закрутке корабля со скоростью 30°/с. Досрочное отключение тормозной установки нарушило штатную схему, и команда на разделение отсеков оказалась не выполнена. Ситуация сложилась уникальная, и Гагарин не мог оценить, насколько велика опасность развития событий. Однако он не запаниковал, а засек время по часам, продолжая с любопытством следить за происходящим. В 10:36 отсеки корабля все-таки разделились по сигналу от внешних термодатчиков. По мере движения в атмосфере вращение «Востока» стало замедляться, а перегрузки – плавно нарастать. Кабина озарилась ярко-багровым светом, который проникал даже сквозь опущенные шторки. В воздухе ощущался легкий запах гари. Тут о мелких неприятностях пришлось забыть, потому что из-за крутой траектории спуска перегрузки возросли до 12 g: в глазах у космонавта «посерело».
В 10:42 на высоте семи километров прошел отстрел крышки люка, и кресло с космонавтом катапультировалось из спускаемого аппарата. Через полсекунды вышел тормозной парашют, затем был введен в действие основной парашют, который буквально сдернул космонавта с кресла. Одновременно отделился контейнер с носимым аварийным запасом – он должен был повиснуть на пятнадцатиметровом фале, но оторвался и упал вниз. Как следствие, не заработал радиомаяк космонавта, а сам Гагарин лишился запаса продуктов, аптечки, радиостанции, пеленгатора и надувной лодки, которая могла бы пригодиться при посадке на воду.
На высоте трех километров раскрылся запасной парашют – хотя космонавты еще до полета были против его автоматического введения, командование решило, что с запасным будет надежнее. Управлять двумя куполами космонавт не мог и почти до самой земли летел спиной вперед. Лишь на высоте 30 метров его развернуло лицом по сносу – в положение, благоприятное для приземления.
В 10:53 ноги Юрия Гагарина коснулись земли. Весь космический рейс продолжался 106 минут, а не 108, как из-за ошибки утверждалось затем полвека. Вопреки прогнозам, спускаемый аппарат приземлился не с перелетом, а с недолетом на 180 километров – у деревни Смеловка Энгельсского района Саратовской области, на вспаханном поле колхоза «Ленинский путь». Никто не бежал Гагарину навстречу, поэтому ему пришлось самостоятельно погасить купола парашютов, освободиться от привязной системы и двинуться на поиски людей.
На следующий день, 13 апреля, Юрий Гагарин выступил перед Государственной комиссией с подробным докладом о полете и замеченных проблемах. Его рассказ помог конструкторам не только доработать системы «Востока» для последующих орбитальных рейсов, но и внести технические предложения по проекту корабля «Север», который известен сегодня под названием «Союз».