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. Последнее решение было обосновано тем, что при запуске корабля на низкую 180—200-километровую орбиту он в любом случае в течение 10 суток сошёл бы с неё вследствие естественного торможения о верхние слои атмосферы и вернулся бы на Землю. На эти же 10 суток рассчитывались и системы жизнеобеспечения.
Старт корабля «Восток» с пилотом-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту был произведён 12 апреля 1961 года в 09:07 по московскому времени с космодрома Байконур. Позывной Гагарина был «Кедр». Начальником стартовой команды («стреляющим») во время запуска был инженер-подполковник ракетных войск А. С. Кириллов — он отдавал команды по этапам пуска ракеты и контролировал их выполнение, наблюдая ракету в перископ из командного бункера. Его дублёром у второго перископа был Л. А. Воскресенский — заместитель главного конструктора С. П. Королёва по испытаниям.
В самом начале подъёма 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 (таймера), но корабль уже поднялся на орбиту, высшая точка которой (апогей) оказалась на 100 км выше расчётной: рассекреченные параметры орбиты были 327×180 км. Сход с такой орбиты с помощью «аэродинамического торможения» мог занять по разным оценкам от 20 до 50 дней.
На орбите Гагарин провёл 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 полёта ещё 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 полётом корабля. Чтобы включить ручное управление, ему надо было вскрыть запечатанный конверт, внутри которого лежал листок с кодом, набрав который на панели управления, можно было бы её разблокировать.
В конце полёта тормозная двигательная установка 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 полёта и в условном выражении сообщил о нештатной ситуации на борту корабля. Когда корабль вошёл в более плотные слои атмосферы, то соединяющие кабели перегорели, а команда на разделение отсеков поступила уже от термодатчиков, так что спускаемый аппарат наконец отделился от приборно-двигательного отсека. Спуск происходил с 8—10-кратными перегрузками, к которым Гагарин был готов. Сложнее было пережить психологические нагрузки — после входа капсулы в атмосферу загорелась обшивка корабля (температура снаружи при спуске достигает 3—5 тысяч °C), по стёклам иллюминаторов потекли струйки жидкого металла, а сама кабина начала потрескивать.
На высоте 7 км в соответствии с планом полёта 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 наружный воздух, так что Гагарин чуть не задохнулся. Последней проблемой в этом полёте оказалось место посадки — Гагарин мог опуститься на парашюте в ледяную воду Волги. Гагарину помогла хорошая предполётная подготовка — управляя стропами, он увёл 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 полёт. Из-за сбоя в системе торможения спускаемый аппарат с Гагариным приземлился не в запланированной области в 110 км от Сталинграда, а в Саратовской области, неподалёку от Энгельса. В 10:48 радар близлежащего зенитно-ракетного дивизиона засёк неопознанную цель — это был спускаемый аппарат (зенитчиков за сутки до этого предупредили, чтобы они следили за «контейнерами с неба»). После катапультирования целей на радаре стало две.
Тем временем с аэродрома Энгельс вылетел вертолёт Ми-4, в задачу экипажа которого входило найти и подобрать Гагарина. Экипаж вертолёта Ми-4 первым обнаружил спускаемый аппарат, но Гагарина рядом не было; ситуацию прояснили местные жители, которые сказали, что Гагарин уехал на грузовике в Энгельс. Вертолёт взлетел и взял курс на город. С его борта на дороге неподалеку от КПП ракетного дивизиона заметили автомашину, на которой Гагарин после доклада в части направлялся к спускаемому аппарату. Гагарин вышел из машины и махал руками, его подобрали, и вертолёт полетел на аэродром Энгельс, передав радиограмму: «Космонавт взят на борт, следую на аэродром». На месте посадки Гагарину была вручена его первая награда за полёт в космос — медаль «За освоение целинных земель».
На аэродроме в Энгельсе Гагарина уже ждали, у трапа вертолёта было всё 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.
К полудню на аэродром Энгельс с Байконура прибыли два самолёта: Ил-18 и Ан-10, на которых прибыли заместитель командующего ВВС генерал-лейтенант Агальцов и группа журналистов. В течение трёх часов, пока устанавливали связь с Москвой, Гагарин давал интервью и фотографировался. С появлением связи он лично доложил Хрущёву и Брежневу о выполнении полёта.
После доклада Гагарин и группа сопровождающих лиц сели на самолёт Ил-14, прибывший с куйбышевского аэродрома «Кряж», и полетели в Куйбышев (сейчас Самара). Было принято решение во избежание шумихи произвести посадку не в аэропорту «Курумоч», а на заводском аэродроме «Безымянка». Но пока глушили двигатели самолёта и монтировали трап, на аэродроме уже собралось много народу (включая рабочих и инженеров расположенного рядом с аэродромом завода «Прогресс», где, кстати, и была выпущена ракета Р-7, на которой стартовал в космос корабль «Восток» с Гагариным на борту), приехало городское партийное руководство. Когда смонтировали трап, первым вышел из самолёта Гагарин, он поприветствовал собравшихся. Гагарина увезли на обкомовскую дачу на берегу Волги. Там он принял душ и нормально поел. Через три часа после прилёта в Куйбышев Гагарина туда же прилетели Королёв и ещё несколько человек из Госкомиссии. В 21 час накрыли стол и отпраздновали удачный полёт Гагарина в космос.
Ввиду обеспечения секретности первого полёта человека в космос, сам факт запуска Гагарина предварительно не освещался. Широко известные кадры, где можно его узнать, были сняты не в день запуска в космос, а позднее, специально для кинохроники, где Гагарин повторил всё, что делал при реальном запуске.
Перед полётом правительством СССР заранее было подготовлено три сообщения ТАСС о запуске человека в космос, в том числе одно «трагическое», если космонавт не вернётся живым:
1 вариант — торжественный, о выходе корабля-спутника с человеком на борту на околоземную орбиту:
После успешного проведения намеченных исследований и выполнения программы полёта 12 апреля 1961 года в 10 часов 55 минут московского времени советский космический корабль «Восток» совершил благополучную посадку в заданном районе Советского Союза.
Лётчик-космонавт майор Гагарин сообщил: «Прошу доложить партии и правительству, что приземление прошло нормально, чувствую себя хорошо, травм и ушибов не имею».
Осуществление полёта человека в космическое пространство открывает грандиозные перспективы покорения космоса человечеством.
2 вариант — сообщение о невыходе корабля-спутника на орбиту и его экстренном приземлении, в нём же обращение к народам и правительствам зарубежных стран с просьбой оказать содействие в поиске и спасении космонавта
3 вариант — сообщение о трагической гибели космонавта
Все три сообщения были запечатаны в специальные конверты под номерами: 1, 2, 3 и отправлены на радио, телевидение, и ТАСС. По команде из Кремля вскрывался лишь тот конверт, номер которого укажут из Кремля 12 апреля 1961 года, а оставшиеся конверты подлежали немедленному уничтожению.
