Obwohl der einzige unbemannte Test eines entsprechend Woschod 2 modifizierten Raumschiffs (Kosmos 57) mit dessen Selbstzerstörung geendet hatte, erfolgte nur vier Wochen später die Startfreigabe für das bemannte Woschod 2 Raumschiff. Der Neubau eines Testraumschiffs zur Wiederholung der fehlgeschlagenen Erprobung hätte Monate gedauert. Damit wäre es aber unmöglich gewesen, den USA im Wettlauf um den ersten Ausstieg eines Menschen in den freien Weltraum noch zuvorzukommen. Und eben das war das alleinige Ziel der Mission. Also setzten die Verantwortlichen alles auf eine Karte. Der Start der Woschod 11A57  Rakete am 18.03.1965 um 07:00 UTC verlief planmäßig und noch während des ersten Orbits wurde die Luftschleuse belüftet. Dann zwängte sich Pilot Alexej Leonow in seinem voluminösen Raumanzug durch die 65 cm Luke in die flexible Luftschleuse. Sein Kommandant Pawel Beljajew verriegelte die Luke hinter ihm. Zu Beginn der zweiten Erdumkreisung öffnete er von seinem Kontrollpult aus die äußere Luke. Nun zwängte sich Leonow, nur gesichert durch eine 5,35 m lange Nabelschnur, hinaus und bewegte sich einige Minuten frei im Raum. Dieser historische Moment wurde von einer automatischen Fernsehkamera aufgezeichnet. Weitere 16 mm Filmkameras hatten schon das Geschehen in der Luftschleuse aufgenommen. Der Ausstieg schien zunächst nach Plan zu verlaufen, bis Leonow bemerkte, daß sich sein Raumanzug unerwartet stark aufgebläht hatte. Hände und Füße drohten aus den Handschuhen und Stiefeln des Raumanzugs herausgezogen zu werden. Leonow war nahezu unbeweglich. Erst nachdem er den Druck im Raumanzug verminderte und den Einstieg entgegen der Planungen kopfüber versuchte, konnte ihn Beljajew ins Innere der Kapsel ziehen. Nach 12:09 min war der Ausstieg soweit abgeschlossen (das gesamte Manöver hatte 23:41 min gedauert). Leonow war so erschöpft wie euphorisch. Nun wurde die Luftschleuse abgesprengt, was eine unerwartet schnelle Rotation des Raumschiffs von 20° pro Sekunde auslöste. Um die Druckgasvorräte des Lageregelungssystems nicht überzustrapazieren, entschied das Kontrollzentrum, die Rotation erst kurz vor der Landung zu stoppen. Derweil beobachtete man ein weiteres ernstes Problem. Nach dem Außenbordmanöver hatte die Luke der Kapsel nicht mehr hermetisch geschlossen. Das Lebenserhaltungssystem kompensierte den schleichenden Druckverlust durch Zufuhr von reinem Sauerstoff. Damit ging aber eine neue Gefahr einher. Die Kabinenausstattung war nicht für einen so hohen Sauerstoffanteil ausgelegt. Und es bestand akute Explosions– und Brandgefahr. Die Sauerstoffkonzentration hatte bereits 63% erreicht, als es endlich gelang, die Automatik zu stoppen. Nun ging es um eine zügige Landung. Doch auf das vom Boden eintreffende Funksignal zur Zündung der Bremstriebwerke geschah nichts. Viel Zeit für eine Analyse des Problems blieb nicht, gingen doch die Atemluftvorräte zur Neige. Daraufhin wurde entschieden, die Landung manuell unter Einsatz des (Feststoff-)Reservetriebwerks einzuleiten. Das bedeutete für die Kosmonauten, daß Kommandant Beljajew sich quer über die Sitze beugen mußte, um mit dem „Vsor“ Instrument die Orientierung der Kapsel zu bestimmen und gleichzeitig die Lageregelungstriebwerke zu bedienen. Damit Beljajew beide Hände frei hatte, mußte ihn Leonow in dieser Position halten. Nachdem es gelungen war, das Raumschiff an der Tag-​Nacht-​Grenze der Erde auszurichten, mußten beiden Kosmonauten schnellstmöglich in ihre Sitze zurückkehren und das Retromanöver sekundengenau einleiten, ohne daß die Landezone überflogen worden war oder die Verlagerung des Schwerpunkts die Kapsel wieder vom Kurs abbrachte. Dies alles in der engen Kabine und mit den ungelenken Raumanzügen am Körper! Das riskante Manöver gelang, wenn auch mit erheblicher Ungenauigkeit. Und die Probleme waren noch nicht zu Ende. Das Instrumentenmodul der Woschod löste sich nicht vollständig von der Landekapsel. Diese tauchte taumelnd und schlingernd in die immer dichter werdende Atmosphäre ein. Das führte dazu, daß die letzte Phase des Abstiegs auf einer rein ballistischen Bahn erfolgte. Die Maximalbelastung erreichte 10 g und ließ bei beiden Kosmonauten Äderchen in den Augen platzen. Die Landung erfolgte schließlich einige 1.000 km vom Zielpunkt entfernt. Die Kapsel ging am 19.03.1965 um 09:02 UTC in einem tief verschneiten Waldgebiet im Ural nieder, 30 km südwestlich der Stadt Beresniki. Zwar sichtete der erste Bergungshubschrauber den Fallschirm der Kapsel nach wenigen Stunden, konnte aber nicht in der Nähe landen. Rund acht Stunden nach dem Ende der Mission von Woschod 2 gelang einem anderen Hubschrauber 5 km entfernt die Landung. Doch die Bergungskräfte waren nicht in der Lage, sich zu Beljajew und Leonow durchzuschlagen. Immerhin konnten aus der Luft warme Kleidung, Notfallausrüstung und Lebensmittel bei der Kapsel abgeworfen werden. Und am nächsten Morgen sprangen Bergungskräfte nur 1,5 km entfernt mit dem Fallschirm ab. Sie brauchten mehrere Stunden um sich bis zur Woschod durchzuschlagen und so wurde ein Camp eingerichtet und die Woschod Kosmonauten bereiteten sich auf eine weitere Nacht im Wald, diesmal in Gesellschaft der Rettungsmannschaften, vor. Schließlich waren bis zum nächsten Tag zwei Hubschrauberlandeplätze provisorisch in der Nähe vorbereitet worden. Beljajew und Leonow erreichten am Morgen des 21.03.1965 auf Schiern den nächstgelegenen Landeplatz und wurden endlich nach Perm und von dort nach Baikonur ausgeflogen.
Obwohl die sowjetische Propaganda den Flug als herausragenden Erfolg feierte (die Landung unter Einsatz des Reservetriebwerks wurde im Gegensatz zu der Kursabweichung und den dramatischen Umständen der Bergung zugegeben), läutete er das vorläufige Ende der bemannten Raumfahrt in der Sowjetunion ein. Weitere geplante Flüge mit Wissenschaftlern, Journalisten und Künstlern an Bord wurden ebenso als zu gefährlich abgelehnt wie eine Ein-​Mann-​Langzeitmission. Auch eine militärische Variante der Woschod-​Kapsel oder gar die Idee einer Modifikation für eine bemannte Mondumkreisung wurden nicht weiter verfolgt. Somit gelang es den USA nahezu unbemerkt mit dem Gemini-​Programm die Führung in der bemannten Raumfahrt zu übernehmen.