9 декабря 1959 года Гагарин написал заявление с просьбой зачислить его в группу кандидатов в космонавты. Уже через неделю его вызвали в Москву для прохождения всестороннего медицинского обследования в Центральном научно-исследовательском авиационном госпитале. В начале следующего года последовала ещё одна специальная медкомиссия, которая признала старшего лейтенанта Гагарина годным для космических полётов. 3 марта 1960 года приказом Главнокомандующего ВВС Константина Андреевича Вершинина зачислен в группу кандидатов в космонавты, а 11 марта Гагарин вместе с семьёй выехал к новому месту работы. С 25 марта начались регулярные занятия по программе подготовки космонавтов.
12 апреля 1961 года с космодрома Байконур впервые в мире стартовал космический корабль "Восток", на борту с пилотом-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным. За этот подвиг ему было присвоено звание Героя Советского Союза, а начиная с 12 апреля 1962 года день полёта Гагарина в космос был объявлен праздником - Днём космонавтики.
В 1966 году Гагарина избрали Почётным членом Международной академии астронавтики, а в 1964 году он был назначен командиром отряда советских космонавтов. В июне 1966 года Гагарин уже приступил к тренировкам по программе "Союз". Он был назначен дублёром Комарова, который совершил первый полёт на новом корабле.
Гагарин защищает дипломный проект в Военно-воздушной инженерной академии им. Жуковского.
17 февраля 1968 года Юрий Алексеевич защитил в ВВИА им. профессора Жуковского дипломный проект. Государственная экзаменационная комиссия присвоила полковнику Ю. А. Гагарину квалификацию "лётчик-инженер-космонавт". До последних дней Гагарин исполнял обязанности депутата Верховного Совета СССР.
27 марта 1968 года он погиб при невыясненных обстоятельствах вблизи деревни Новоселово Киржачского района Владимирской области во время одного из тренировочных полётов. Похоронен у Кремлёвской стены на Красной площади.
Пресс-служба Октябрьского райкома КПРФ г.Саратова