Корабли «Союз-4» и «Союз-5» состыковались 16 января 1969 года. Это была первая в мире стыковка двух пилотируемых кораблей. Активным кораблем был «Союз-4», стыковочный узел которого был оборудован штырем. Узел «Союза-5» был оборудован приемным конусом.

Корабль «Союз-4» стартовал 14 января 1969 года. На следующий день с космодрома Байконур стартовал «Союз-5», на борту которого находились трое космонавтов.

На 35-м витке космонавты Хрунов и Елисеев вышли в открытый космос из корабля «Союз-5» и перешли в корабль «Союз-4». Этот переход был элементом подготовки к предполагаемому полету на Луну. После стыковки агентство ТАСС объявило, что впервые на орбите создана экспериментальная космическая станция с четырьмя космонавтами на борту. Советское телевидение вело прямую трансляцию перехода космонавтов Хрунова и Елисеева.

Космонавты использовали скафандры «Ястреб», командир корабля Борис Волынов помогал им облачаться в скафандры, проверял системы жизнеобеспечения и коммуникаций скафандров. Затем Волынов вернулся в спускаемый аппарат и закрыл люк между орбитальным отсеком и спускаемым аппаратом корабля «Союз-5». Корабли «Союз» модели «7К-ОК» не имели переходного люка в стыковочном узле. Во время перехода орбитальные отсеки кораблей использовались в качестве шлюзовых камер.

После разгерметизации орбитального отсека первым в открытый космос вышел Евгений Хрунов. В это время состыкованные корабли находились над Южной Америкой и не имели радиоконтакта с центром управления полетов в СССР. Выход Елисеева происходил уже над территорией СССР, когда поддерживался радиоконтакт с Землей.

Елисеев закрыл за собой люк «Союза-5». Космонавты перешли в орбитальный отсек «Союза-4», который затем был наполнен воздухом, командир «Союза-4» Владимир Шаталов помог Хрунову и Елисееву снять скафандры. Затем космонавты передали Шаталову письма, телеграммы и газеты, которые вышли уже после старта Шаталова в космос.

Корабли «Союз-4» и «Союз-5» находились в состыкованном состоянии 4 часа 35 минут. «Союз-4» приземлился 17 января 1969 года в 40 км юго-западнее Караганды, в 48-ми километрах от расчетной точки приземления. На месте приземления температура была около -30°, высота снежного покрова - 60-80 сантиметров. Поисковый вертолет обнаружил спускаемый аппарат через 5 минут после приземления.