Misja wystartował w dniu 18 marca 1965 o godz. 06:57:00 UTC ze stanowiska startowego 1/5 kosmodromu Baikonur (ZSRR) za pomocą rakiety nośnej Woschod (nr R15000-05).
W misji wzięli udział kosmonauci:
Paweł Bielajew – dowódca,
Aleksiej Leonow – pilot.
Pojazd Woschod-3KD był zmodyfikowanym pojazdem Woschod-3KV opartym na wcześniejszym Wostok-3K.
W nowym pojeździe zainstalowano dwa fotele dla dwóch kosmonautów. Dodatkowo w tej wersji znajdowała się nadmuchiwana śluza powietrzna, która umożliwiała spacer kosmiczny.
Aleksiej Leonow na pokładzie Woschod 2 wyszedł po raz pierwszy w historii w otwartą przestrzeń kosmiczną. Aktywność poza pojazdem (ang. EVA – extravehicular activity) potrwała 12 min 9 sek. w tym czasie Leonow był połączony ze statkiem za pomocą liny o długości 4,8m.
Podczas powrotu do kapsuły okazało się, że skafander po wyjściu w próżnię zbyt mocno się rozpuchł co uniemożliwiało wykonywanie ruchów i wejście przez śluzę. Kosmonauta musiał otworzyć zawór bezpieczeństwa w skafandrze aby zmniejszyć ciśnienie wewnątrz.
Po zakończonym spacerze wyrzucono śluzę powietrzną w przestrzeń kosmiczną. Gdy to nastąpiło nastąpił powolny spadek ciśnienia powietrza w kabinie. W związku z powyższym doszło do wcześniejszego niż planowano powrotu na Ziemię. Kapsuła powróciła ale wylądowała w górach Ural, prawie 1000 km na północ od planowanego miejsca lądowania.
Załogę odnaleziono dopiero następnego dnia po lądowaniu.
Przygotowania oraz przebieg misji został przedstawiony w rosyjskim filmie z 2017 roku pt. „The Age of Pioneers” w Polsce znany jako „Czas pionierów” lub „Spacewalker / Spacer w Kosmosie”