空间竞赛最激动人心的一幕是载人太空飞行。本来，从卫星上天到载人飞行还需经过一段时间的准备和试验。但空间竞赛一旦开始，双方心理上的压力都很大，因为每一次的领先都具有巨大的政治象征意义。因此，在开头的几步领先之后，苏联就决定再次抢先实现载人飞行。苏联航天领导人科罗列夫清醒地知道，从技术实力上讲，苏联对美国的领先都只是暂时的，必须率先实现载人飞行，巩固已经取得的领先地位。经过多次的生物太空飞行实验，苏联造出了实用可行的载人飞船，但火箭动力尚嫌不够。科罗列夫决定将5枚当时苏联最大的火箭捆绑组合起来，造出了世界上第一艘载人飞船“东方1号”。
飞船分两部分。上半部分是球形的宇航员舱，下半部分是仪器舱。宇航员舱内设有能维持宇航员生存10昼夜的生命保障系统，以及观测和操控装置。设计飞船将以低轨道运行，因为若是火箭系统发生故障，飞船可以在大气阻力的作用下慢慢减小速度和降低轨道。原本设计让飞船落在公海上，但赫鲁晓夫不同意，要求必须让第一艘苏联载人飞船在苏联领土上降落。科罗列夫没有办法，只好把原本的回收宇航员舱方案改为只回收宇航员本人，座舱则不管了。
1961年4月12日上午9时7分，苏联宇航员尤里·加加林少校驾驶着“东方1号”飞上了太空。在327千米的高空，加加林逐步适应了失重的环境，有条不紊地做各种科学实验。上午10时25分，飞船从北非上空返回大气层。机械舱已自动脱落，只剩生活舱在大气层中下降。离地面7700米时，加加林与座椅一起被弹出，随降落伞徐徐下落。加加林安全地飘落到地面，成功地实现了人类历史上的第一次太空飞行。
加加林的太空飞行又一次轰动了全球。美国总统肯尼迪十分沮丧地说：“看到苏联在太空方面比我们领先一步，没有人比我更泄气了……但无论如何，加加林的飞行终止了人是否能在太空生存的争论。”1961年5月5日，美国也发射了“自由7号”飞船。美国第一位宇航员艾伦·谢帕德在空中逗留了15分23秒。但该飞船并未做环球飞行，只是在太空中画了一道大弧，属亚轨道飞行，而非轨道飞行。况且，谢帕德在太空中只有5分钟的失重状态。
与苏联的“东方计划”类似，美国的载人航天计划被命名为“水星计划”，于1958年11月26日开始实施。但由于开头重视不够，政策失误，经过了多次失败之后，被苏联落在后头。谢帕德的飞行已经比加加林晚，而且只是亚轨道飞行。1962年2月20日，宇航员格伦乘坐“友谊7号”升空，在260千米高的轨道上飞行了3周，才真正实现了美国的载人轨道飞行计划。当年5月24日和10月3日，宇航员卡彭特和希拉又先后进行了两次轨道飞行，其中希拉飞了9小时12分，时间最长。希拉返回地面后表示，更长时间的失重对人体不会有任何不利影响。
从那以后，美苏两国的载人宇宙飞船不断地将宇航员送上太空。飞船性能越来越强，宇航员在太空中的生活越来越方便。1965年3月18日，苏联宇航员从座舱里走了出来，在太空中做了10分钟的漫步。3个月后，美国宇航员也从舱内走出，在太空中逗留了20分钟。失重状态下的太空漫步不再是人们的幻想，而变成了现实。全世界人民都从电视机里看到了他们具有历史意义的漫步。
