医疗人员和太空船工程师并不确定失重对人体的影响，所以驾驶员的飞行控制已被锁定，这样加加林便不需要人手操控太空船（当紧急的时候，加加林仍然可以对系统进行解锁）。

东方一号并不可以改变其飞行轨道，只可以改变其姿势。在大部分的飞行时间内，太空船的姿势已准备随时返回地球。在太空船发射后的1小时，自动系统将太空船对准，预备点火返回地球。

点火返回程序在非洲西岸的上空进行，位置类近安哥拉，距离预计着陆点大约8000公里。点火程序历时42秒，采用液化燃料。由于重量问题，太空船并没有后备点火引擎。倘若点火程序失败，太空船依然可以留在太空十天。

在启动返回程序后的10秒，东方一号的设备模组应与返回舱分离。但由于被电线系著，两个模组并没有分离。10分钟后，太空船不断的回转。在电线折断後，返回舱重新准确定位。

在1961年，国际航空联合会确认太空人必须与返回舱一同返回，才会确认为一次成功的太空任务。事实上，当时太空人和返回舱是分开降落的。但苏联报称他们是一起降落的，联合会依然官方确认其任务有效。直到多年之后，才有资料透露加加林和返回舱是分开降落的。

当苏联当局填写联合会资料的时候，报称火箭的发射地点位于拜科努尔（47°22′00″N 65°29′00″E / 47.3666667°N 65.4833333°E / 47.3666667; 65.4833333）。事实上，发射地点是位于丘拉坦（45°55′12.72″N 63°20′32.32″E / 45.9202°N 63.3423111°E / 45.9202; 63.3423111），在拜科努尔的西南面250千米。他们之所以这样做，是希望将太空中心的地点保密。在1995年，俄罗斯和哈萨克当局将土拉坦重新命名为拜科努尔。

返回舱现时存放在S.P. 科罗勒夫火箭和太空公司位于科罗廖夫的博物馆。

1961年4月12日，周三 发射前数分钟，加加林录下如下的语句：“亲爱的，我所认识的和不认识的朋友们，我亲爱的同胞和全世界人民！在几分钟内，一支强大的苏联火箭将把我的飞船送入广阔的外层空间。这是我想要告诉你们的。我未来的整个生命对于我而言正如一个惊险的时刻。

我认为我可以集中我的力量以完成我被期望的任务。”倒计时开始 加加林进入发射场的东方一号飞船内部。他的影像被飞船上的摄像机记录并传送到发射控制室的电视机屏幕上。谢尔盖·科罗廖夫 对着话筒说：“Zarya 呼叫 Kedr（加加林的代号），倒计时准备开始。”加加林回答：“明白，感觉良好，精神振作，准备完毕。”

格林尼治时间 06:07 东方一号从拜科努尔发射场一号工位发射。在加加林的任务结束后，这一工位以“加加林的起点”闻名。在点火起飞时，科罗廖夫指挥道：“初级……中级……主发动机……起飞！祝你飞行顺利，目前一切正常。”加加林回答：“Poyekhali!（我们出发！）”格林尼治时间 06:09 飞行2分钟，四台助推器燃料耗尽，从芯级分离。(+119 秒)

格林尼治时间 06:10 整流罩分离，加加林脚下的窗口和光学定位装置被揭开。(+156 秒)

格林尼治时间 06:12 飞行5分钟，第一级火箭燃料耗尽分离，末级火箭点火继续将飞船送入轨道。(+300 秒)

格林尼治时间 06:13 火箭仍在飞行，将东方一号送入轨道。加加林报告：“……飞行仍在继续。我可以看见地球，能见度很好，……，我几乎可以看见一切东西。积云下方一定有许多空间。飞行继续，一切正常。”

格林尼治时间 06:14 火箭仍在飞行，开始穿过俄罗斯中部地区。加加林报告：“一切正常，所有系统都在工作中。让我们继续前进！

格林尼治时间 06:15 末级火箭点火3分钟，加加林报告：“Zarya-1, Zarya-1（拜科努尔地面站代号），我不能清楚地听见你们的声音。我感觉正常，精神状况良好。飞行仍在继续……”此时，东方一号正离开拜科努尔发射场的无线电监控范围。格林尼治时间 06:17 R-7火箭末级燃尽，10秒后与东方号飞船分离。此时，东方号飞船进入轨道。(+676 秒) 加加林报告：“飞船运行正常。我能够在舷窗中看见地球。一切均按计划进行。”这时，东方一号正在穿过俄罗斯，在西伯利亚上空飞行。

格林尼治时间 06:21 东方一号穿过堪察加半岛，进入北太平洋。加加林通话：“……在下降监视器上的灯光已打开。我感觉良好，精神状态良好。座舱参数：压力1，湿度65，温度20，舱室气压1，第一自动装置155，第二自动装置155，返回火箭系统气压320个大气压……”

格林尼治时间 06:25 东方一号开始从西北向东南穿越太平洋，从堪察加半岛到南美洲的南端。加加林向地面询问：“请向我提供飞行信息，什么信息可以提供给我？ ”他向地面请求飞船的轨道参数。哈巴罗夫斯克地面站回答：“20号（科罗廖夫）没有指令，飞船工作正常。”他们告诉加加林，飞船仅仅入轨6分钟，因此轨道参数无法获得。但是飞船工作正常。

格林尼治时间 06:31 加加林向哈巴罗夫斯克地面站通话：“我感觉棒极了，给我一些飞行的状态！”此时，东方一号正在哈巴罗夫斯克地面站的甚高频无线电地平线边缘。地面站回答：“请重复一遍，我无法听清你说的话。”加加林再次尝试通话，但是此时飞船已经飞离哈巴罗夫斯克地面站的无线电范围。

格林尼治时间 06:37 东方一号继续飞行，此时轨道日落。飞船在夏威夷群岛西北部进入地球阴影。此时，飞船已经离开地面站甚高频通讯范围，通讯必须依靠高频信号。格林尼治时间 06:46 哈巴罗夫斯克地面站通过高频信号发送电报“KK”，意义为向指挥官报告情况。他们希望得到自动返回系统是否已经从地面收到指令的报告。加加林在格林尼治时间06:48作出回答。

格林尼治时间 06:48 东方一号在西经170°穿过赤道，开始穿越南太平洋。加加林在高频信号中回答：“我正在发送常规报告消息：9时48分（莫斯科时间），飞行正常。……下降状态指示正在移动。气压1，湿度65，温度20，舱内气压1.2，手动系统150，第一自动系统155，第二自动系统155，返回火箭气压320个大气压，我感觉良好……”

格林尼治时间 06:49 加加林报告正处在地球的黑夜一侧。

格林尼治时间 06:51 加加林报告太阳寻找及高度控制系统已经打开。这一系统用于东方一号返回时的定向。自动返回系统存在两套冗余的系统：一套自动太阳定位系统和一套人工视觉定位系统，任何一套系统均可以操控两套含有10千克氮气的冗余推进系统。

格林尼治时间 06:53 哈巴罗夫斯克地面站通过高频信号向加加林发送下面的信息：“根据33号（尼古拉·卡马宁将军）的命令，发报机已经打开，我们发送下面的消息：飞行如计划进行，轨道与计划没有偏差。”他们告诉加加林，东方一号正处于稳定的轨道中。加加林接受了这一信息。

格林尼治时间 06:57 东方一号处于新西兰和智利之间的南太平洋上。加加林发送信息：“……飞行仍在继续，我正在穿过美洲。电报发报机已经打开。”

格林尼治时间 07:00 东方一号穿过麦哲伦海峡。东方一号的新闻在莫斯科广播电台广播。

格林尼治时间 07:04 加加林发送与格林尼治时间06:48发送的信息类似的飞船状态信息，但是这一信息没有被地面收到。

格林尼治时间 07:09 加加林发送飞船状态信息，但是这一信息同样没有被地面收到。

格林尼治时间 07:10 穿过南大西洋后，太阳再次出现。此时距离东方一号返回还有15分钟。格林尼治时间 07:13 加加林发送与格林尼治时间06:48发送的信息类似的飞船状态信息。莫斯科受到部分信息：“……接收良好，飞行继续……”

格林尼治时间 07:18 加加林发送飞船状态信息，但是这一信息再一次没有被地面收到。

格林尼治时间 07:23 加加林发送飞船状态信息，但是这一信息再一次没有被地面收到。

格林尼治时间 07:25 东方一号处于返回纬度。当飞船处于非洲西海岸安哥拉附近上空时，返回火箭点火42秒。这一位置距离位于俄罗斯的计划着陆位置大约8000千米。格林尼治时间 07:25 至 07:35 返回火箭熄火后10秒，东方号服务舱与返回舱的分离指令下达。但是，一束电缆使得飞船的两个部分保持相连，这一状况持续了10分钟。东方一号飞船穿过非洲西海岸，跨过非洲中部，向埃及方向飞行。

格林尼治时间 07:35 飞船的两部分开始再入大气层。当飞船位于埃及上空时，经历了强烈的旋转。最终，连接飞船两部分的电缆被烧断，使得返回舱得到释放，加加林不顾飞船持续的旋转，发送电报“一切正常”。事后，他报告说，他并不希望在自己已经（正确地）认识到这一旋转的现象并不会危及这次任务（由于返回舱球形的外观）之后，给地面带来麻烦。格林尼治时间 07:35 至 07:55 返回过程继续。飞船穿过埃及和地中海，飞过塞浦路斯西海岸和土耳其中部。在降低高度的过程中，东方一号返回舱从黑海沿岸的克拉斯诺达尔附近进入苏联境内。加加林经历了8G（根据他自己的报告，“超过10G”）的过载但保持清醒。

格林尼治时间 07:55 飞船返回舱距离地面仍然有7千米。返回舱舱盖被打开，2秒后，加加林被从返回舱中弹射出。在2.5千米的高度，返回舱主伞打开。返回舱于格林尼治时间07:55降落。目击飞船降落的两位女学生描述说：“那是一个巨大的球，大约有两到三米高。它掉下来后向上弹起，然后又掉下来。在它第一次撞到地面的地方有一个大洞。”

格林尼治时间 08:05 由于加加林的降落伞打开的高度高于飞船降落伞打开的高度，加加林在飞船着陆后10分钟着陆。加加林和飞船都在恩格斯城东南方向的萨拉托夫州着陆（经纬度：51°16′49″N 45°58′36″E / 51.280383°N 45.976740°E / 51.280383; 45.976740）。

一位农民和她的女儿看到了这一令他们感到奇怪的景象：一个身穿明亮橘红色“外套”和巨大白色头盔的人在她们附近用降落伞着陆。加加林后来回忆说，“当她们看到我穿着宇航服，身后拖着降落伞，她们开始恐惧地后退。我告诉她们，不要害怕，我是和她们一样的苏联人，刚刚从太空回来。需要做的就是找一部电话打给莫斯科！”