A Vosztok–3 [[1962]]. [[augusztus 11.|augusztus 11]]-én, helyi idő szerint 14:30-kor ([[Egyezményes koordinált világidő|UTC]] 8:30) startolt Tyura-Tamból[[Töretam|Tyuratam]]ból, a [[bajkonuri űrrepülőtér]] 1-es indítóállásából. Nyikolajev a Szokol (Sólyom) rádió hívójelet kapta a kapcsolattartáshoz. A startot megelőző Zenyit-kudarc miatt a feszültség a szokásosnál is nagyobb volt a személyzet körében (mivel a startbalesetért felelős rakéta lényegében azonos volt az éppen felbocsátandóval és a véletlen hiba ezúttal akár emberéletet is követelhetett volna). A [[Vosztok hordozórakéta|Vosztok rakéta]] (8K72K) ezúttal is a vártnak megfelelően működött. A start pillanatától – amit Nyikolajev ''„Teljes sebességgel előre!”'' kiáltása tett emlékezetessé – 687 másodperc telt el és az űrhajó 166x218<ref>{{cite web|url=http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftOrbit.do?id=1962-036A|title=Vostok 3|author=|language=angol|publisher=NASA|accessdate=2013-01-06}}</ref> kilométeres [[ellipszis (görbe)|ellipszis]] pályára állt.<ref name="siddiqi356">{{cite web|url=http://history.nasa.gov/SP-4408pt1.pdf|title=Challenge to Apollo – The Soviet Union and the Space Race (356.o.)|author=Asif A. Siddiqi|language=angol|publisher=NASA|accessdate=2013-01-03}}</ref>
A szovjet párt- és állami vezetést az első keringés végén értesítették a sikerről, amikor a „szokásoknak megfelelően” az űrhajóst is előléptették (Nyikolajevet őrnaggyá, igaz tévedésből először alezredest olvastak fel a parancsban, amelynek nyomán aztán korrigáltak az egyel alacsonyabb rangra). A repülés első körei az űrhajós egészségi állapotának monitorozásával teltek, mivel a Tyitov repülésén szerzett tapasztalatok miatt az orvosok erősen aggódtak és a műveleti szabályok értelmében a repülés további menetét is befolyásolta az űrhajós közérzete: rosszullét esetén lerövidítették volna a repülést és esetleg a szimultán repülésről is lemondtak volna. A negyedik keringésben [[Nyikita Szergejevics Hruscsov|Nyikita Hruscsov]] [[telefon (eszköz)telefonkészülék|telefon]]beszélgetést folytatott Nyikolajevvel. (Az űrhajós saját későbbi bevallása szerint a hívás elég jelképesre sikeredett, mivel az erős rádiózaj miatt alig a felét hallotta a pártfőtitkár mondandójának.<ref name="zak"/>) A pártfőtitkár a rádió követőhálózat [[szimferopol]]i állomásáról beszélhetett az űrhajóssal és egy érdekes újításként az űrhajó fedélzetéről sugárzott tévéfelvételeken is láthatta „beszélgetőpartnerét”. Három keringéssel később nemcsak Hruscsov, hanem a szovjet televíziónézők tömegei is betekintést nyerhettek a repülésbe, amikor [[Moszkva|Moszkvából]] a kabinba szerelt két [[kamera]] révén a világ első világűrből sugárzott tévéadását adták nyilvános adásba. A repülés legfontosabb újítása volt, hogy az űrhajós kísérletképpen kicsatolhatta magát az ülésből és szabadon lebeghetett. Az orvosok aggodalmai ellenére (akik ezúttal hatalmas érzékelő arzenállal ragasztották tele Nyikolajev testét) az űrhajós mindvégig jól érezte magát, a szabad lebegés sem okozott rosszullétet a számára. Egy másik újítás volt a szovjet „űripar” részéről, hogy az étkezéshez ezúttal nem tubusos kiszerelésű élelmet vihetett Nyikolajev. A repülés első napja 22:00 órakor ért véget az űrhajós számára, amikor aludni tért.<ref name="siddiqi357">{{cite web|url=http://history.nasa.gov/SP-4408pt1.pdf|title=Challenge to Apollo – The Soviet Union and the Space Race (357.o.)|author=Asif A. Siddiqi|language=angol|publisher=NASA|accessdate=2013-01-03}}</ref>
