Le matin du 11 août, NIKOLAÏEV et BIKOVSKI sont emmenés vers le pas de tir en autobus. Ils sont accompagnés par POPOVITCH.

Le 8^ème lanceur Vostok (8K72K) décolle du pas de tir n°5 de la zone n°1 du cosmodrome de Baïkonour le 11 août 1962 à 08h30 GMT. Quelques minutes plus tard il place le vaisseau Vostok-3 (3KA n°5) sur une orbite 183km x 251km x 65°.

Dès son arrivée sur orbite, NIKOLAÏEV vérifie les systèmes de son vaisseau et constate qu'ils fonctionnent tous parfaitement bien. Il commence alors son premier repas spatial, et ensuite des images filmées par la caméra vidéo embarquée sont diffusées à la télévision soviétique. Le cosmonaute a aussi une courte conversation téléphonique avec Nikita KHROUCHTCHEV.

Il entreprend également de se libérer de son siège éjectable. Après avoir détaché ses sangles, il flotte librement dans la cabine exigüe du Vostok. Une telle expérience n'avait jamais été tentée. Cependant, elle a servit avant tout la propagande communiste.

En effet, NIKOLAÏEV n'a pu se soulever de son siège que de quelques centimètres, tellement la cabine de son vaisseau était étroite. Les comptes-rendus publiés dans la presse faisant état de cette expérience laissaient fortement entendre que le cosmonaute avait pu se mouvoir dans un espace relativement grand, contrairement à l'astronaute américain qui étaient cloîtré dans sa minuscule capsule Mercury. Il n'en était rien.

NIKOLAÏEV flotte ainsi durant une heure, puis se rattache à son siège et note ses impressions dans le journal de bord. Il constate avec joie qu'il ne souffre nullement des maux qu'avait décrit Hermann TITOV. Il entame alors un sommeil qui durera six heures (deux de moins que prévu), et à son réveil il prend un petit-déjeuner.

Alors qu'il entame sa seizième orbite, son camarade POPOVITCH quitte à son tour le cosmodrome. Très rapidement, un contact radio est mis en place entre les deux vaisseaux. Le vol simultané de deux vaisseaux habités et une nouvelle "première" à inscrire au compte de l'Union soviétique.

La distance minimale qu'il y aura entre les deux vaisseaux sera d'environ 6,4km, et elle augmentera tout au long du vol.

Le programme scientifique de NIKOLAÏEV est beaucoup plus chargé que ceux de ses prédécesseurs. Il réalise de nombreuses observations de la Terre, de la Lune et des étoiles. Il se soumet à plusieurs tests psychologiques, comme des exercices élémentaires de calcul mental. Les premières vraies études sur le comportement du corps humain en apesanteur sont réalisées.

Au cours de la journée du 13 août, il est décidé de prolonger la mission de 24h.

Le 15 août 1962, à 06h24 GMT, le moteur TDU est allumé. Quelques minutes plus tard, NIKOLAÏEV atterrit sans encombres. La troisième mission spatiale habitée soviétique aura duré 3 jours 22 heures et 22 minutes.