La missione Voschod 2 venne lanciata il 18 marzo 1965 alle ore 07.00 UTC dal cosmodromo di Baikonur.

Già durante la prima orbita terrestre venne gonfiata, estratta e posizionata la chiusa d'aria. Leonov allora si sforzò ad entrare nella stretta camera, dalla quale successivamente venne fatta evadere tutta l'aria. La cabina con Beljaev ovviamente rimase sotto pressione. Verso le 08.30 UTC, Leonov iniziò ad uscire per passeggiare nel vuoto dello spazio.

Poco dopo Voschod 2 aveva nuovamente raggiunto la zona di ricezione delle onde radio VHF delle stazioni di controllo di volo sovietiche, tanto che una telecamera posizionata all'esterno della capsula Voschod poté trasmettere direttamente a terra le prime immagini filmate di questo storico momento dell'esplorazione umana dello spazio.

Leonov rimase all'esterno della capsula per un periodo compreso tra i dieci ed i venti minuti. Le varie indicazioni sono decisamente contraddittorie e pertanto risulta quasi impossibile determinare con esattezza la durata complessiva della passeggiata. Quando tentò di rientrare nella chiusa d'aria si dimostrò che tale azione fosse decisamente più difficile di quanto previsto. Infatti la sua tuta spaziale si era notevolmente gonfiata a causa della mancanza di contropressione dovuta al vuoto dello spazio. Pertanto Leonov fu quasi impossibilitato a muoversi e solo dopo notevoli sforzi fu in grado di azionare un'apposita valvola di scarico d'aria dall'interno della tuta spaziale. Completamente stremato riuscì a rientrare nella chiusa d'aria e la tragedia in fondo fu sfiorata di poco.