18—19 березня 1965 року разом з Павлом Беляєвим здійснив політ у космос другим пілотом на космічному кораблі «Восход-2». Під час цього польоту Леонов здійснив перший в історії космонавтики вихід у відкритий космос тривалістю 12 хвилин і 9 секунд. Під час виходу проявив виключну мужність, особливо у нестандартній ситуації, коли набухлий космічний скафандр заважав поверненню космонавта до корабля. Ввійти до шлюзу Леонову вдалося лише після стравлення надлишкового тиску скафандра. Перед приземленням відмовила автоматична система орієнтації. Біляєв вручну зорієнтував корабель і увімкнув гальмовий двигун. Як результат «Восход» здійснив посадку у незапланованому місці — 180 км північніше міста Перм. У повідомленні ТАРС це місце назвали «запасним районом», яке у дійсності було глухою пермською тайгою. Дві ночі космонавти провели у дикому лісі на морозі. Лише на третій день до них змогли добратись рятівники на лижах, які були вимушені рубати ліс у місці посадки корабля, для розчистки майданчика приземлення гелікоптера. Тривалість польоту склала 1 добу 02 години 02 хвилини 17 секунд.
За успішне виконання польоту та за прояв мужності і героїзму підполковник Леонов Олексій Архіпович 23 березня 1965 отримав звання Героя Радянського Союзу, Орден Леніна та медаль «Золота зірка».
У 1967 році Леонов входив до складу радянських космонавтів, що готувались до польоту на Місяць.
У 1967 закінчив Військово-повітряну інженерну академію ім. Жуковського (інженерний факультет).
22 січня 1969 перебував у автомобілі, що був обстріляний офіцером Віктором Ільїним під час замаху на Л.Брежнєва.