Старт корабля «Восток» с пилотом-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту был произведен 12 апреля 1961 года в 09:07 по московскому времени с космодрома Байконур. Позывной Гагарина был «Кедр». Начальником стартовой команды во время запуска был инженер-подполковник ракетных войск Анатолий Кириллов - он отдавал команды по этапам пуска ракеты и контролировал их выполнение, наблюдая ракету в перископ из командного бункера.

Участие СССР в космической гонке привело к тому, что при создании корабля «Восток» был выбран ряд неоптимальных, но зато простых и быстро осуществимых решений. Некоторые компоненты создать вовремя не успели, в результате пришлось отказаться от системы аварийного спасения на старте и системы мягкой посадки корабля. Кроме того, из конструкции строящегося корабля «Восток-1» была убрана дублирующая тормозная установка.

В самом начале подъема ракеты Гагарин воскликнул: «Поехали!». Ракета-носитель «Восток» проработала без замечаний, но на завершающем этапе не сработала система радиоуправления, которая должна была выключить двигатели 3-й ступени. Выключение двигателя произошло только после срабатывания дублирующего механизма, но корабль уже поднялся на орбиту, высшая точка которой оказалась на 100 километров выше расчетной.

На орбите Гагарин сообщал о своих ощущениях, состоянии корабля и наблюдениях. Он в иллюминатор наблюдал Землю с ее облачностью, горами, лесами, реками, морями, видел небо и Солнце, другие звезды во время полета в тени Земли.

Гагарин также провел простейшие эксперименты: пил, ел, делал записи карандашом. «Положив» карандаш рядом с собой, он случайно обнаружил, что тот моментально начал уплывать. Из этого Гагарин сделал вывод, что карандаши и прочие предметы в космосе лучше привязывать. Все свои ощущения и наблюдения он записывал на бортовой магнитофон.

До полета еще не было известно, как человеческая психика будет вести себя в космосе, поэтому была предусмотрена специальная защита от того, чтобы первый космонавт в порыве помешательства не попытался бы управлять полетом корабля или испортить аппаратуру. Чтобы включить ручное управление, ему надо было вскрыть запечатанный конверт, внутри которого лежал листок с математической задачей, при решении которой получался код разблокировки панели управления.

В конце полета тормозная двигательная установка конструктора Исаева проработала успешно, но с недобором импульса, так что автоматика выдала запрет на штатное разделение отсеков. В результате, в течение 10 минут перед входом в атмосферу корабль беспорядочно кувыркался со скоростью 1 оборот в секунду. Гагарин решил не пугать руководителей полета и в условном выражении сообщил о нештатной ситуации на борту корабля.

Когда корабль вошел в более плотные слои атмосферы, то соединяющие кабели перегорели, а команда на разделение отсеков поступила уже от термодатчиков. Спуск происходил по баллистической траектории, то есть с 8-10-кратными перегрузками, к которым Гагарин был готов. Сложнее было пережить психологические нагрузки - после входа капсулы в атмосферу загорелась обшивка корабля, по стеклам иллюминаторов потекли струйки жидкого металла, а сама кабина начала потрескивать.

На высоте 7 километров в соответствии с планом полета Гагарин катапультировался, после чего капсула и космонавт стали спускаться на парашютах раздельно. После катапультирования и отсоединения воздуховода спускаемого аппарата в герметичном скафандре Гагарина не сразу открылся клапан, через который должен поступать воздух, так что космонавт чуть не задохнулся.

Последней проблемой в этом полете оказалось место посадки - Гагарин мог опуститься на парашютах в ледяную воду Волги. Космонавту помогла хорошая предполетная подготовка - управляя стропами, он увел парашют от реки и приземлился в 1,5-2 километрах от берега.

Выполнив один оборот вокруг Земли, в 10:55:34 на 108-й минуте корабль завершил полет. Из-за сбоя в системе торможения спускаемый аппарат с Гагариным приземлился не в запланированной области в 110 километрах от Сталинграда, а в Саратовской области, неподалеку от Энгельса в районе сел Смеловка и Подгорное. В 10:48 радар близлежащего зенитно-ракетного дивизиона засек неопознанную цель - это был спускаемый аппарат.

На месте посадки Гагарину была вручена его первая награда за полет в космос - медаль «За освоение целинных земель». Впоследствии такая же медаль вручалась на месте посадки и многим другим космонавтам. На аэродроме в Энгельсе Гагарина уже ждали, у трапа вертолета было все руководство базы. Ему вручили поздравительную телеграмму Советского правительства. На автомобиле «Победа» Гагарина повезли на командно-диспетчерский пункт, а затем в штаб базы для связи с Москвой.