4 октября оба экипажа, члены Госкомиссии, Юрий Гагарин и Андриян Николаев на самолете «Ан-10» прибыли на полигон. Началась предстартовая подготовка. Космонавты продолжили изучать программу полета, рассчитанного на одни сутки. Все семеро, и особенно Константин Феоктистов, понимали, что в этом полете риск для его участников весьма велик. Кроме конструктивных особенностей корабля «Восход», снижающих надежность системы в целом, была еще одна серьезная проблема: ограничения по массе не позволили обеспечить космонавтов запасом средств жизнеобеспечения больше, чем на двое суток. Таким образом, возможность спуска корабля при отказе тормозных двигателей за счет естественного торможения исключалась.

11 октября состоялся вывоз ракеты с кораблем на старт. При тестах выяснилось, что не работает телеметрическая система «Трал» третьей ступени. Систему пришлось менять прямо на ракете, уже установленной на стартовом столе. В этот же день Николай Каманин вручил командиру экипажа Владимиру Комарову коммунистические реликвии из Музея Ленина в Москве: портрет Карла Маркса, принадлежавший Владимиру Ильичу Ленину, фотографию Ленина с газетой «Правда» в руках и красный бант со знамени Парижской коммуны.

12 октября 1964 года в 10 часов 30 минут по московскому времени с 1-й площадки полигона Тюра-Там, известного всему миру как «космодром Байконур», стартовала ракета-носитель 11А57, которая вывела на орбиту первый в мире трехместный космический корабль «Восход», пилотируемый экипажем в составе: командир-инженер – полковник Владимир Комаров; научный сотрудник-космонавт – кандидат технических наук Константин Феоктистов, врач-космонавт – Борис Егоров. Во время выведения связь с экипажем поддерживал Юрий Гагарин.

Об успешном пуске Сергей Королев доложил Никите Хрущеву, отдыхавшему в Пицунде, а затем другим руководителям правительства, включая Леонида Брежнева. Однако последним было в те дни не до космоса. Подготовка государственного переворота, который произошел на следующий день, была в самом разгаре.

В это время экипаж под позывными «Рубины» приступил к выполнению программы полета. На первом витке Егоров провел медицинский контроль экипажа, затем все позавтракали. На втором витке космонавты передали приветствие участникам Олимпиады, проходившей в Токио. На третьем и четвертом витках космонавты проводили физиологические исследования: замеряли кровяное давление, легочную вентиляцию, брали мазки крови. С помощью специальных таблиц исследовалась работоспособность в первые часы полета. На четвертом витке экипаж пообедал. Затем, согласно плану полета, Комаров попытался уснуть. Феоктистов и Егоров несли вахту, вели переговоры с Землей. Феоктистов наблюдал за облаками, определял с помощью приборов их яркость, контрастность, фиксировал прозрачность при разных углах освещенности. Егоров исследовал сердечнососудистую систему и вестибулярный аппарат сначала у себя, потом у Феоктистова. На шестом витке Владимир Комаров вручную ориентировал корабль «по-посадочному», а Феоктистов фиксировал этот процесс. Егоров в это время отдыхал. На седьмом и восьмом витках состоялся телевизионный сеанс связи. На Земле впервые увидели лица космонавтов, а члены Госкомиссии смогли с ними пообщаться.

С девятого по тринадцатый витки «Восход» был вне зоны радиовидимости с территории Советского Союза. Экипаж продолжал работать по индивидуальным программам, отдыхая поочередно. На четырнадцатом витке космонавты передали параметры всех систем корабля и приняли рекомендации для ручного управления на случай отказа автоматики. На пятнадцатом витке Комаров вновь испытывал ручную систему управления и ориентации корабля. Феоктистов фотографировал горизонт, определял работоспособность по специальным тестовым таблицам. Егоров отдыхал.

Утром 13 октября Сергей Королев решил доложить Хрущеву о завершении полета. Он связался с Пицундой и получил согласие Никиты Сергеевича на посадку корабля. Необходимости в этом не было, корабль все равно бы сел, но согласия главы государства требовали политические соображения. Это был последний разговор главного конструктора с Хрущевым, которого через несколько часов отстранили от управления страной бывшие «соратники» по ЦК КПСС.

На шестнадцатом витке автоматически включилась система ориентации, а вскоре над Гвинейским заливом «ТДУ-1» была включена на торможение. Вскоре поступила информация, что пилот самолета «Ил-14», кружащего в зоне посадки, видит спускаемый аппарат на земле, а рядом с ним трех космонавтов, машущих руками. Самый рискованный советский космический полет, вопреки всем опасениям, завершился успешно.