A Voszhod-2 végül 1965. március 18-án indult el az útjára. A pályára állás után, már az első körben felfújták a zsilipkamrát, s az űrséta a második körben kezdődött. Beljajev 11:32-kor nyitotta ki a légzsilipet, s két perccel később, 11:34-kor Leonov kiúszott a világűrbe. Az eseményt Beljajev így kommentálta: „Egy ember kilépett a világűrbe! Az ember kiment a világűrbe! Szabadon lebeg!”
Leonovot egy körülbelül öt méter hosszú ‘köldökzsinór’ kötötte össze az űrhajóval, s a kinttartózkodás alatt Leonov ötször eltávolodott, majd visszatért az űrhajóhoz.
Leonov összesen 12 perc és 9 másodpercig tartózkodott a nyílt űrben, de a zsilipkamrába való visszatérését szinte lehetetlenné tette, hogy a nagy nyomáskülönbség miatt a szkafandere teljesen felvúvódott. Persze erre az esetre is felkészültek, hiszen ha nem tudott volna visszajutni az űrhajóba, egy tablettát kellett volna bevennie a gyors halál elérésére. Erre azonban szerencsére nem volt szükség.
Mivel még a kezeit is csak nagy nehézséggel tudta behajlítani, így Leonov kénytelen volt a benne lévő nyomást lecsökkenteni 0,4 atmoszféra nyomásról 0,27-re a jobb combja közelében lévő szelepen keresztül. Ekkor tudta magát bepréselni a zsilipkamrába, s tudta a zsilipkamra ajtaját bezárni maga után.
