1961年4月12日，莫斯科时间9时7分，加加林驾驶着“东方”1号飞船从拜科努尔发射场起飞，以1小时48分的时间绕地球飞行1圈后安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区。加加林的成功使他两天后被授予“苏联英雄”称号。他驾驶的“东方”1号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器。
加加林完成了史无前例的宇宙飞行后，去茹科夫斯基空军工程学院进修，并以优异的成绩毕业，学院推荐他到高等军事学院研究生院当函授生。1968年3月27日，他在一次普通的飞行训练中因飞机失事遇难。
这一天，加加林按计划要驾驶米格-15歼击教练机飞行两次，每次半小时。10点19分，飞机升空。10点30分，加加林把空域作业的情况报告飞行指挥，请求准许取航向320返航。此后，无线电通信突然中断，1分钟后，飞机一头栽到地上。
事故发生后，政府成立了事故调查委员会。经过认真分析研究后认为：“1968年3月27日飞机飞行准备工作完全是按照现有技术操作规程的要求进行的。” 调查委员会查明了飞机与地面相撞时的状态。当时，飞机在两层云带空域里飞行，看不见地平线。返航时，本应从70°航向向320°航向下降转弯，后来一定发生了某种突发事件，使飞机处于临界状态。飞机飞出低层云，航迹倾斜角达到70°到90°，飞机几乎是垂直俯冲下来，加加林和另外一位飞行员密切配合，想尽最大努力使飞机退出俯冲状态，但当时飞行高度只有250-300米，时间也只剩2秒钟了，他们没有成功，年仅34岁的加加林就这样离开了人世，以至于人们都不相信他真的牺牲了。
为了纪念他，苏联把他的出生地改名为加加林区。国际航空联合会设立了加加林金质奖章。月球背面的一座环形山也是以他的名字命名的。加加林成为宇宙时代的象征。
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