Ведущий конструктор корабля Ивановский позднее вспоминал:

«Ракета шла, не могла не идти! Казалось, что миллионы рук и сердец человеческих, дрожащих от чудовищного напряжения, выносили корабль на орбиту.

И „Восток“ вышел на орбиту!

Сорвались с мест. Сидеть, стоять больше сил не было. Самые разные лица: веселые, суровые, сосредоточенные – самые разные. Но одно у всех – слезы на глазах. И у седовласых, и у юных. И никто не стеснялся слез. Обнимались, целовались, поздравляли друг друга.

В коридоре у пультовой окружили Королёва. Наверное, по доброй традиции, подняли бы на руки, да качать негде. Потолок низковат. Кто-то снял с рукава красную повязку, собирает автографы. Мелькнула мысль: „Такое ведь не повторится!“ Подошел к Королёву:

– Сергей Палыч…

– Давай, давай…

Эта повязка с автографами Королёва, Келдыша, Воскресенского, Галлая и чуть позже – Гагарина долгие годы была самым дорогим сувениром… К сожалению, была. Теперь она в каком-нибудь музее…»

Выведение на орбиту заставило понервничать специалистов, находившихся в бункере управления. Телеметрист, который по громкой связи оценивал поступление информации с корабля, вместо обычных «Пять, пять, пять…» неожиданно произнес: «Три, три, три…», что означало неполадки с ракетой-носителем. Так продолжалось несколько секунд, после чего возобновился нормальный отсчет. К счастью, то были не проблемы в работе ракеты, а всего лишь мелкий сбой в системе связи.

В 9:18:27 произошло отделение третьей ступени от корабля. «Восток», разогнавшись до первой космической скорости, вышел на орбиту высотой в перигее 181 км и в апогее 327 км (против 180 × 235 км по полетному заданию).

Высота апогея орбиты обозначила новую серьезную проблему: она оказалась выше расчетной на 92 км. Причиной был сбой в системе радиоуправления – разделение третьей ступени с кораблем произошло на полсекунды позже. Как следствие, почти на секунду задержалась предварительная команда на выключение двигателей центрального блока ракеты. Вся циклограмма запуска сдвинулась во времени, и в итоге корабль набрал скорость, превышавшую запланированную на 25,43 м/с. Именно это и привело к столь значительному увеличению апогея. Но ведь расчетная высота выбиралась с тем прицелом, что если тормозная двигательная установка внезапно откажет, «Восток» в силу естественного торможения в высших слоях атмосферы сам сойдет с орбиты в течение пяти-семи суток. Под этот срок готовились и запасы системы жизнеобеспечения. Сход с реальной орбиты занял бы свыше двадцати суток – к тому времени космонавт был бы мертв.

В ходе полета Юрий Гагарин поддерживал связь с научно-измерительными пунктами полигона Тюратам, в Колпашево Томской области и в Елизове Камчатской области. В своем докладе перед членами Госкомиссии 13 апреля он рассказывал:

«При пролете Елизово связь была нормальной. Я несколько раз повторял свои доклады и донесения. ‹…› Связь с Елизовым прекратилась, примерно когда по глобусу было 30° сев. широты. Сразу после доклада по УКВ [ультракоротким волнам], произвел доклад по KB [коротким волнам]. Но по KB подтверждение докладов и команд в это время ни от кого не получал. Связи не было. Примерно градусов около 30 сев. широты услышал „Амурские волны“, которые передавал Хабаровск. На этом фоне услышал телеграфные позывные „ВСН“ – „Весны“. В это время я опять начал связь с „Весной“, но никто не отвечал. Производил записи наблюдений в бортжурнал».

Выйдя из зоны связи камчатского пункта, «Восток» вскоре прошел над Гавайскими островами, пересек Тихий океан, обогнул с юга мыс Горн и приблизился к Африке. Космонавт чувствовал себя хорошо, о чем постоянно докладывал измерительным пунктам. Попробовал «космическую» еду (щавелевое пюре с мясом, мясной паштет, шоколадный соус) и консервированную воду, подтвердив предположение ученых, что с питанием на орбите не должно возникнуть серьезных проблем. За космонавтом можно было наблюдать с помощью видиконной камеры системы «Селигер», установленной в кабине. Она передавала всего 100 строк при 10 кадрах в секунду, изображение получалось размытым, однако его вполне хватало, чтобы оценить состояние пилота «Востока».

Гагарин рассказывал:

«При пролете над морем поверхность его казалась серой, а не голубой. Поверхность неровная, как бы в виде песочных барханов на фотографии. Мне кажется, что сориентироваться над морем будет вполне возможно. Можно вести ориентировку, привязаться к местности, сориентировать корабль для включения тормозной установки.

Доклады осуществлял в соответствии с заданием в телеграфном и телефонном режимах. Произвел прием воды и пищи. Воду и пищу принял нормально, принимать можно. Никаких физиологических затруднений при этом я не ощущал. Чувство невесомости несколько непривычное по сравнению с земными условиями. Здесь возникает такое ощущение, как будто висишь в горизонтальном положении на ремнях, как бы находишься в подвешенном состоянии. Видимо, подогнанная плотно подвесная система оказывает давление на грудную клетку, и поэтому создается такое впечатление, что висишь. Потом привыкаешь, приспосабливаешься к этому. Никаких плохих ощущений не было».

Юрий Гагарин наблюдал Землю, звезды и космическое пространство, регистрировал показания приборов, надиктовывая их на бортовой магнитофон и записывая в бортжурнал. Случались мелкие неприятности. В невесомости от космонавта «уплыл» карандаш, и писать стало нечем. В магнитофоне вдруг закончилась пленка – Гагарин вручную перемотал ее на середину и продолжил запись; из-за этого голосовая информация о нескольких минутах полета была утрачена навсегда.

Поскольку полет был одновитковым, сразу после отделения корабля от ракеты-носителя включилось программно-временное устройство «Гранит-5В», которое в 9:51 запустило автоматическую систему ориентации. Когда в 10:09 корабль вышел из тени Земли и сориентировался по Солнцу, в 10:25:04 прошло включение тормозной двигательной установки. Двигатель должен был отработать 41 секунду, но он выключился на секунду раньше из-за окончания горючего (возможная причина – залипание обратного клапана, часть горючего попала в полость разделительного мешка, а не в камеру сгорания). В результате магистрали наддува двигателя остались открытыми и в них под давлением 60 атмосфер стал поступать азот, что привело к закрутке корабля со скоростью 30° в секунду. Позднее Юрий Гагарин описывал происходящее так: «Получился „кордебалет“: голова-ноги, голова-ноги с очень большой скоростью вращения. Всё кружилось. То вижу Африку, то горизонт, то небо. Только успевал закрываться от Солнца, чтобы свет не падал в глаза. Я поставил ноги к иллюминатору, но не закрывал шторки. Мне было интересно самому, что происходит. Я ждал момента разделения. Разделения нет…»

Досрочное отключение тормозной установки нарушило штатную схему, и команда на автоматическое разделение спускаемого аппарата и приборного отсека оказалась не выполнена. Ситуация сложилась уникальная, и Гагарин не мог оценить, насколько велика опасность такого развития событий. Однако Юрий Алексеевич не запаниковал. Он засек время по часам, продолжая с любопытством следить за происходящим. Мигали окошки прибора контроля режима спуска, корабль вращался. Гагарин понял, что перелет расчетного места посадки неизбежен – как и в случае с собаками, но, прикинув «на пальцах», решил, что сядет на территории СССР. Поэтому не стал сообщать на Землю о внезапных проблемах.