18 марта 1965 года в 10 часов по московскому времени космический корабль "Восход-2" с космонавтами Павлом Беляевым и Алексеем Леоновым успешно стартовал с космодрома Байконур. Сразу же после подъёма на орбиту, уже в конце первого витка, экипаж стал готовиться к выходу Леонова в открытый космос.
Беляев помог ему надеть на спину ранец индивидуальной системы жизнеобеспечения с запасом кислорода и подключил его к скафандру.
Затем наполнил камеру воздухом и открыл люк, соединяющий кабину корабля с ней.
Леонов "вплыл" в шлюзовую камеру, а командир корабля, закрыв люк в камеру, начал её разгерметизацию.
В 11 часов 28 минут 13 секунд в начале второго витка полёта была произведена полная разгерметизация шлюзовой камеры корабля. В 11 часов 32 минуты 54 секунды открылся её люк, а в 11 часов 34 минуты 51 секунду Леонов вышел в космическое пространство. Его с кораблем связывал только фал длиной 5,35 метра, в составе которого был стальной трос и электрические провода для передачи на борт корабля данных медицинских наблюдений и технических измерений, а также осуществления телефонной связи с командиром корабля.
В открытом космосе Леонов совершил пять отходов и подходов от шлюзовой камеры, причём самый первый отход был сделан на минимальное расстояние – один метр – для ориентации в новых условиях, а остальные на полную длину фала.
После выполнения ряда экспериментов Алексею Леонову поступила команда возвращаться, но сделать это оказалось непросто. Он не смог втиснуться в люк шлюза. В космическом вакууме скафандр сильно раздулся, не выдержали ни ребра жесткости, ни плотная ткань, а диаметр люка был небольшой. В обычном состоянии зазор между скафандром у каждого плеча Леонова и краем люка составлял всего 20 миллиметров. Космонавт сделал несколько безрезультатных попыток протиснуться в шлюз. Ситуация становилась критической, так как в его скафандре заканчивался запас кислорода, рассчитанный всего на 20 минут. Тогда Леонов, без согласования с Землей из-за нехватки времени, решил сбросить давление в скафандре до аварийного.
После сброса давления, скафандр уменьшился, и Леонов протиснулся в шлюз головой вперед вопреки инструкции заходить в него ногами. Это произошло в 11 часов 47 минут.
После закрытия внешнего люка Леонову пришлось разворачиваться в шлюзовой камере, так как входить в корабль всё равно нужно было ногами. Иначе войти в него он не смог бы из-за крышки люка, открывающейся внутрь и занимающей 30% объема кабины.
В 11 часов 51 минуту 54 секунды начался наддув шлюзовой камеры. После её заполнения Леонов перешёл в кабину корабля.
Алексей Архипович Леонов провёл в открытом космосе 12 минут 9 секунд — это официально зарегистрированный мировой рекорд продолжительности пребывания человека в космическом пространстве вне космического корабля.