Запланированный групповой полет начался 11 августа 1962 года стартом корабля «Восток-3» с Андрияном Григорьевичем Николаевым. После выхода на орбиту космонавт отвязался от катапультируемого кресла, впервые опробовав «плавание» в невесомости. Мнение ряда медиков, утверждавших после полета Титова, что пилоты космических кораблей не смогут справиться с кинетозом, было опровергнуто. Николаев чувствовал себя прекрасно, легко перемещался по кабине, выполняя сложные манипуляции. 12 августа стартовал «Восток-4» с Павлом Романовичем Поповичем. Точность выведения оказалась столь велика, что после выхода на орбиту второго корабля космонавты сразу увидели друг друга – их разделяло всего 6 километров. Они тут же обменялись приветствиями.
В течение полета космонавты активно работали, ели, пили, спали, занимались физкультурой. Николаев пробыл на орбите четверо суток, Попович – трое. Их совместный полет, помимо установления новых рекордов, дал специалистам еще одно подтверждение: человек может жить и работать на орбите.
Следующий космический рейс в точности воспроизводил предыдущий, но с очень важной особенностью – на втором корабле должна была лететь женщина. Идея отправить на орбиту женщину появилась в августе 1961 года, а в декабре правительство разрешило набрать в отряд пять кандидаток. Медикам не терпелось увидеть, способен ли женский организм выдержать космический полет; а пропагандисты получали козырь в идеологических спорах с западным миром: полет советской гражданки в космос доказывал, что в СССР существует реальное, а не показное равенство. И только Сергей Королев был резко против участия женщин-пилотов в космической программе на начальном этапе – он полагал, что ни к чему хорошему это не приведет.
Женский отряд космонавтов был сформирован и проходил обучение в 1962 году. Лучшие результаты демонстрировала Валентина Леонидовна Пономарева, но Хрущев выступил за кандидатуру Валентины Владимировны Терешковой – ярославской ткачихи и активной общественницы.
14 июня 1963 года на орбиту отправился корабль «Восток-5» с космонавтом Валерием Федоровичем Быковским на борту. Через двое суток, 16 июня, следом за ним стартовал «Восток-6» с Терешковой. Если у Быковского было все нормально и он успешно следовал программе полета, то Терешкова не смогла выполнить запланированные эксперименты и отвечала на вопросы уклончиво. Потом у нее начались боли в голени и плечах. Хотя она не жаловалась на самочувствие, полет решили прекратить досрочно: из-за солнечной вспышки «разбухла» земная атмосфера, корабли стали быстрее тормозиться, и возникла угроза неконтролируемого схода с орбиты. В результате Быковский пробыл в космосе пятеро суток вместо восьми, а Терешкова – трое суток. Перед спуском у Терешковой никак не получалось сориентировать корабль, и для нее пришлось разрабатывать специальную инструкцию. После приземления женщина-космонавт подбросила ученым еще один сюрприз: пока поисковая команда определяла место ее посадки, она раздала местным жителям тюбики с космической едой, а сама с удовольствием пообедала предложенными продуктами. Медики были рассержены, а Королев пришел в бешенство, запретив обсуждать новые проекты с участием женщин. Только через девятнадцать лет Светлана Евгеньевна Савицкая сумела сломить предубеждение.
В начале 1964 года Сергей Королев с соратниками оказался перед серьезной проблемой. Корабли-спутники «Восток» исчерпали свой потенциал, и советское руководство утратило к ним интерес. Их должны были принять на вооружение армии, но военных больше устраивал фоторазведчик «Зенит 2». Конструкторские бюро, работавшие на космос, впервые столкнулись с дефицитом финансирования. Требовался новый триумфальный прорыв, и тогда Королев предложил сконструировать на основе «Востока» трехместный корабль для установления нового рекорда. Сначала проектанты взбунтовались, отказавшись от реализации «дикой затеи». Королев пошел на хитрость: он пообещал, что одно место в новом корабле будет зарезервировано за ведущим конструктором корабля. Соблазн стать одним из первых космонавтов был столь велик, что Константин Петрович Феоктистов, возглавлявший в то время проектирование пилотируемых кораблей, взялся превратить одноместный «Восток» в трехместный «Восход».
Космический корабль 3КВ («Восход-1») отличался от исходного 3КА по целому ряду параметров. Прежде всего пострадала безопасность. Чтобы разместить трех космонавтов в тесной кабине, пришлось отказаться не только от катапультирования на этапе спуска, но и от скафандров. Теперь они должны были лететь в спортивных костюмах, лежа в очень неудобных позах – на спине с подогнутыми к груди коленями. Для смягчения удара о землю кресла «Эльбрус» снабжались дополнительными амортизаторами. Кроме того, была разработана система мягкой посадки, включающая два основных парашюта и пороховые двигатели. На спускаемом аппарате также установили дублирующий тормозной двигатель.