Беляев и Леонов были близкими друзьями и вместе прошли суровую школу подготовки к своей миссии. Программа подготовки, за выполнением которой пристально следил Королёв, требовала предварительного моделирования каждого шага космической прогулки. В реальности прогулка будет длиться около 15 минут, но технология выпуска космонавта и возвращения его в капсулу оказалась весьма непростой. Переходный шлюз, хотя и был экспериментальным и еще не прошел испытания, оказался работоспособной и даже остроумной конструкцией. Чтобы оба космонавта испытали на себе состояние невесомости, им приходилось летать на модифицированном реактивном транспортном самолете Ту-104, который двигался по параболическим «горкам». Многое было неизвестным, так как космическая прогулка будет совершена впервые, и руководители центра на Байконуре старались учесть всевозможные критические ситуации. Например: если Леонов потеряет в космосе сознание, как его будет спасать Беляев?
За три недели до старта «Восхода-2» с космодрома Байконур был запущен непилотируемый экспериментальный прототип корабля этого типа, но он взорвался, когда на нем случайно сработала бортовая система самоуничтожения. Это непредвиденное событие вызвало у Королёва и его команды сильное напряжение; теперь они занимались одним космическим кораблем «Восход». Создать взамен взорвавшегося новый испытательный корабль смогут лишь через год. Королёв был не склонен ждать. Он спросил у своих космонавтов их мнение по этому вопросу и напомнил о риске, который связан с запуском оставшегося корабля «Восход»: «Решать вам, — предупредил он. — Я не могу приказать вам, что делать. Не существует подготовленного по учебнику ответа. Ничто не подготовит вас к тому, что вы испытаете в вашем полете». Затем Королёв стал взывать к их чувству соперничества, напомнив, что американский астронавт Эдвард Уайт на корабле «Джемини» должен в мае совершить свою космическую прогулку. По словам Леонова, этот фактор стал решающим: «В ту ночь в конце февраля 1965 года мы почувствовали себя полностью уверенными. Мы почувствовали себя непобедимыми. Мы сказали, что, несмотря на риск, мы готовы лететь».
Наутро 18 февраля Беляев и Леонов без осложнений и проблем вывели «Восход» на орбиту. Полет был рассчитан на один день, поэтому экипаж быстро готовился к выходу в открытый космос во время второго витка. В тот момент «Восход-2» летел со скоростью почти 29 000 км/ч по орбите на высоте 165 км в перигее и 472 км в апогее. В центре управления полетов с огромным интересом следили за подготовкой к работе вне корабля и наконец дали команду к началу эксперимента. Затем Беляев начал закачивать воздух в резиновые трубки надуваемого переходного шлюза; рядом в тесном пространстве капсулы Леонов облачался в свой громоздкий скафандр. Кислород был рассчитан на 90 минут космической прогулки. Войдя в полностью расправившийся воздушный шлюз, он подождал, пока давление в камере не сравняется с нулевым давлением открытого космоса. Затем люк открылся.
Леонов медленно продвигался по узкому проходу переходного шлюза. Он вспоминал: «От того, что я увидел в тот момент, когда крышка люка открылась, у меня перехватило дыхание. Ночь переходила в день. Маленькая часть поверхности Земли, которую я видел, когда наклонился назад, была темно-синей. Когда я посмотрел в сторону Южного полюса, то увидел, что небо за краями изогнутой линии горизонта черное, усыпанное яркими звездами». Затем Леонов осторожно вышел из шлюза, держась за специальные поручни; на это ушло лишь несколько секунд. Разглядывая открывшийся вид, он понял, что находится над Средиземным морем. На горизонте он видел целиком все Черное море, Грецию и Турцию. На более удаленном расстоянии он слабо различал Кавказские горы и Волгу. Севернее виднелось даже Балтийское море. Леонов отчетливо запомнил следующий момент: «С легким ударом, как будто оттолкнувшись от бортика плавательного бассейна, я отступил от края шлюза. Я был в космосе. Первым, кто когда-либо это делал». Телевизионное изображение этого исторического момента видели миллионы людей в Советском Союзе.
Это пребывание в открытом космосе преднамеренно было непродолжительным. Почти сразу Леонов понял, что его прогулка не обойдется без осложнений и не будет безопасной. Сначала он заметил резкое повышение температуры своего скафандра. Это затруднение лишало его способности свободно манипулировать руками при фотографировании камерой, которую он держал в руках. Когда он начал двигаться назад к переходному шлюзу, намереваясь вернуться назад в капсулу, он заметил, что его скафандр деформировался. Помимо этого, он почувствовал, что его ноги не достают подошв скафандра, а пальцы — перчаток скафандра. Теперь Леонов осознал всю опасность — он не мог сначала развернуться ногами в сторону воздушного перехода так, как было предусмотрено.