Экипаж: Павел Иванович Беляев, командир корабля, 39 лет, позывной «Алмаз-1». Алексей Архипович Леонов, второй пилот, 30 лет, позывной «Алмаз-2»

Космический корабль: «Восход-2», пилотируемый корабль серии «Восход», специально модифицированный для осуществления выхода человека в открытый космос. Для этого в нем были предусмотрены два места для космонавтов в скафандрах и добавлена надувная шлюзовая камера «Волга».

Скафандр: «Беркут» — космический скафандр, специально разработанный для выхода в открытый космос и спасения космонавтов в случае разгерметизации корабля. В «Беркуты» были одеты оба участника полёта 18.03.65 — командир Беляев и второй пилот Леонов. На гермошлеме своего скафандра Алексей Архипович собственноручно сделал надпись «СССР».

На внешней поверхности «Восхода» были установлены две телекамеры, передающие сигнал на Землю, и одна кинокамера. Также фотокамера была встроена в скафандр Леонова. Советское телевидение транслировало кадры выхода первого человека в открытый космос.

В открытом космосе Леонов был соединён с «Восходом» семиметровым фалом — прочным стальным тросом, к которому прикреплялись шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода для связи между ним и кораблём. Благодаря им космонавт мог слышать команды Беляева и даже голос Левитана, объявляющего на Земле о первом выходе человека в открытое космическое пространство, а также докладывать о том, что видит и что делает. А капитан корабля в это время отслеживал жизненные показатели Леонова.

Во время пребывания в открытом космосе Леонов пять раз «отплывал» от корабля и возвращался к нему — страховочный фал позволял удалиться на расстояние до 5 метров и 35 сантиметров от обреза шлюзовой камеры.

Во время выхода из корабля в открытый космос Леонов страдал от учащения сердцебиения и дыхания, перегрева (температура тела поднялась до 38 градусов) и повышенного потоотделения.

Выйти в невесомость оказалось легче, чем вернуться обратно. Перед возвращением на «Восход-2» Леонов понял, что не может попасть внутрь — его мягкий скафандр из-за разности давлений расширился и с трудом сгибался. В этих условиях протиснуться в узкий — всего метр в диаметре — шлюз, да ещё и, как требовала инструкция, ногами вперёд, не представлялось возможным. Леонову пришлось пойти на риск и снизить давление в скафандре, чтобы вернуть его к прежним размерам. Это могло привести к развитию декомпрессионного эффекта, когда кровь «вскипает» из-за образующихся в ней пузырьков газа. Помимо этого, он вошёл в шлюзовую камеру вперёд головой. Чтобы попасть затем внутрь спускаемого аппарата, космонавт был вынужден незапланированно разворачиваться в тесной шлюзовой камере. В это время его пульс участился до 190 ударов, а тело перегрелось — он был на грани теплового удара..

Вскоре после возвращения Леонова на «Восход-2» и закрытия люка экипаж обнаружил повышение парциального давления кислорода в кабине. Слишком большая его концентрация создавала угрозу взрыва — достаточно было малейшей искры от электроаппаратуры на борту. Кроме того, перенасыщение воздушной смеси кислородом могло ухудшить состояние космонавтов вплоть до потери сознания, что в космосе неминуемо означало гибель. Установить причину ЧП и устранить её оперативно не удалось, в течение нескольких часов системы жизнеобеспечения «Восхода-2» нагнетали кислород в кабину. Лишь после того, как сработал аварийный клапан, состав воздушной смеси постепенно нормализовался.

После завершения выхода в открытый космос шлюзовая камера была не нужна и по плану экипаж должен был избавиться от неё по окончании эксперимента. Однако случилось непредвиденное — отстрел камеры в условиях невесомости привёл к тому, что корабль начал неконтролируемо вращаться в двух плоскостях со скоростью один оборот в 20–22 секунды. Экипажу удалось остановить вращение, для этого пришлось отключить автоматику и стабилизировать полет вручную.

По плану возвращение «Восхода-2» на Землю должно было состояться в автоматическом режиме после 17 витков на орбите, но техника отказала. Экипаж получил приказ сажать космический корабль вручную, чего никто и никогда ещё не делал. Никто даже ещё не знал, осуществима ли такая задача на практике. В «Восходе» кресла космонавтов были повёрнуты на 90 градусов относительно пульта и ручное управление, пока пилот оставался пристёгнутым «по‑посадочному», было невозможно. Поэтому капитану пришлось отстегнуться и покинуть своё место. Он перевёл «Восход-2» на ручное управление, после чего точно сориентировал корабль — местом для посадки экипаж выбрал район в 150 км от Соликамска, подальше от предприятий и линий электропередач. Находящийся в невесомости корабль реагировал на все перемещения внутри кабины, поэтому с включением ТДУ его развернуло. В итоге посадка произошла не в рассчитанной Беляевым и Леоновым точке, а в 70 км от Соликамска, в глухой заснеженной тайге, откуда космонавтов смогли эвакуировать только через двое суток.