Woßchod 2 startete vom Kosmodrom Baikonur. Die Landung erfolgte im Ural-Gebirge (180 km nordöstlich von Perm, westlich von Beresniki).

Das gegenüber Woßchod 1 modifizierte Raumschiff vom Typ Woßchod 3KD bot nur zwei Kosmonauten Platz. Wo bei Woßchod 1 noch ein dritter Kosmonaut saß, war nun eine aufblasbare Luftschleuse angebracht, die verpackt einen Durchmesser von 70 cm und eine Länge von 77 cm hatte. Im All konnte sich die Schleuse nach außen entfalten und war dann 2,5 m lang, mit einem Außendurchmesser von 1,2 m und einem Innendurchmesser von 1,0 m. Die Schleuse wog etwa 250 kg.

Ein unbemanntes Raumschiff diesen Typs wurde am 22. Februar 1965 unter der Tarnbezeichnung Kosmos 57 gestartet. In der Erdumlaufbahn entfaltete sich die externe Luftschleuse wie geplant, was von der Bodenstation sogar per Fernsehbild beobachtet werden konnte. Irrtümlicherweise sendeten zwei Bodenstationen gleichzeitig Funkbefehle. Der Empfänger im Raumschiff interpretierte dies fehlerhaft als Kommando, die Bremsraketen zu zünden, um die Landung einzuleiten. Da aber das Raumschiff nicht korrekt ausgerichtet war, blieb es offenbar in der Erdumlaufbahn, wurde jedoch in eine schnelle Rotation versetzt. Der Selbstzerstörungsmechanismus löste aus und Kosmos 57 explodierte nur knapp drei Stunden nach dem Start.

Hauptziel der Mission war der erste Ausstieg eines Menschen (Alexej Leonow) in den freien Weltraum (16 m). Sein Weltraumspaziergang am 18. März 1965 wurde über das Fernsehen übertragen.

Schon während der ersten Umkreisung wurde die aufblasbare Luftschleuse ausgefahren. Alexej Leonow zwängte sich in die kleine Schleuse, die daraufhin dekomprimiert wurde. Die Kabine mit Pawel Beljajew blieb unter Druck, was ihm die Möglichkeit nahm, seinem Kameraden im Notfall wirksame Hilfe leisten zu können. Gegen 08:30 UTC begab sich Alexej Leonow ins All.

Kurz darauf befand sich Woßchod 2 wieder im UKW-Empfangsbereich der sowjetischen Bodenstationen, sodass eine Fernsehkamera an der Außenseite von Woßchod Bilder dieses historischen Moments zur Erde senden konnte.

Alexej Leonow befand sich sechzehn Minuten außerhalb des Raumschiffs. Als er sich wieder in die Schleuse begeben wollte, erwies sich dies schwieriger als gedacht, weil sein Raumanzug sich durch den fehlenden Gegendruck aufgebläht hatte und unbeweglich wurde. Erst mit einer Druckreduzierung und mit dem Kopf voran konnte er sich wieder in die Schleuse begeben. Danach wurde in der externen Schleuse der Druckausgleich zum Innendruck der Kabine durchgeführt.

Nachdem Alexej Leonow wieder an Bord war, wurde die innere Luke zur Schleuse geschlossen und die Schleuse abgesprengt. Während des Weiterfluges wurde festgestellt, dass der Druck in den Sauerstoffbehältern von Woßchod 2 schneller sank als vorgesehen. Dies ließ auf eine Undichtheit der Kapsel an der inneren Luke schließen, da der Kabinendruck zwar vom Lebenserhaltungssystem weitgehend konstant gehalten wurde, der Sauerstoffpartialdruck aber immer weiter anstieg. Als der Druck in den Sauerstoffbehältern von ursprünglich 75 auf 25 bar abgesunken war, entschloss sich die Flugleitung zu einer vorzeitigen Rückführung.

Während der 16. Umkreisung hätte das automatische Landesystem von der Bodenstation durch Funkbefehle programmiert werden sollen, was jedoch fehlschlug. Dadurch konnte die Landung nach der 17. Umkreisung nicht wie geplant durchgeführt werden. Aus den Umkreisungen 19 bis 21 wäre keine Landung innerhalb des vorgesehenen Gebietes möglich gewesen. Daher erschien der Flugleitung wegen der Probleme mit der Kabinenatmosphäre ein erneuter Versuch einer automatisierten Landung als zu hohes Risiko und man ließ Pawel Beljajew die erste manuell gesteuerte Landung eines sowjetischen Raumschiffes durchführen. Pawel Beljajew erhielt die Anweisung, das Schiff manuell auszurichten und die Zündung von Hand vorzunehmen, was in der 18. Erdumkreisung gelang. Die manuelle Zündung erfolgte jedoch 48 Sekunden zu spät. Nach dem Brennschluss trennte sich die Kapsel nicht vollständig vom Geräteteil. Dadurch taumelte das Raumschiff zu Beginn des Wiedereintritts heftig. Schließlich brannten die verbliebenen Verbindungen jedoch durch. Aufgrund der dadurch entstandenen Ungenauigkeiten wurde der anvisierte Landeplatz um etwa 2.000 Kilometer überflogen. Statt in der Steppe von Kasachstan ging Woßchod 2 im Ural-Gebirge nieder.

Das Raumschiff landete in einem tief verschneiten Nadelwald. Pawel Beljajew und Alexej Leonow konnten mit Morsezeichen über Kurzwelle der Bodenstation mitteilen, dass „alles normal“ sei. Etwa vier Stunden nach der Landung wurden sie von einem Suchhubschrauber gesichtet, etwa 30 Kilometer südwestlich von Beresniki. Der Hubschrauber konnte aufgrund des Geländes zwar nicht landen, doch zumindest warme Kleidung und Verpflegung für die Kosmonauten abwerfen.

Erst nach Einbruch der Dunkelheit konnte ein anderer Hubschrauber etwa 5 Kilometer von der Landekapsel entfernt landen, doch die Rettungsmannschaften konnten nicht zu Woßchod 2 durchdringen. Zu dieser Zeit war die erfolgreiche Landung bereits im Rundfunk verkündet worden.

Am nächsten Morgen sprangen Rettungsmannschaften mit dem Fallschirm ab, benötigten aber bis Mittag, bis sie Pawel Beljajew und Alexej Leonow erreichten. Es erwies sich als zu riskant, die Kosmonauten mit einer Seilwinde zu einem Hubschrauber heraufzuhieven, und so musste eine weitere Nacht in der Taiga verbracht werden, inzwischen allerdings in der Gesellschaft der etwa 20 Personen der Bergungsmannschaft.

Inzwischen waren zwei Landestellen gerodet worden. Am nächsten Morgen fuhren Pawel Beljajew und Alexej Leonow mit Skiern zu der nächstgelegenen Lichtung und wurden dort an Bord eines Hubschraubers gehoben, der sie zur nächsten Landestelle brachte, wo sie in einen größeren Hubschrauber umstiegen. Alles in allem hatte die Bergung doppelt so lange wie der Raumflug gedauert.

Nach dem Ende der Mission war aber noch nicht deutlich, dass es auf lange Zeit der letzte sowjetische Raumflug sein sollte. Vor der Öffentlichkeit wurden die teilweise sehr ernsten Probleme (Wiedereinstieg, Undichtheit der Kapsel, Landung) geheim gehalten. In allen drei Fällen war man knapp an einer Katastrophe vorbeigekommen.