當飛船飛到第2圈時，列昂諾夫在確認座艙密封完好後打開了向內開的艙門，隨著別列亞耶夫的一聲“祝你好運”，列昂諾夫浮遊進入密封過渡艙，給自己的航天服充壓，並檢查過渡艙的密封性，調整頭盔。此後，列昂諾夫關上座艙蓋，於11時34分51秒進入茫茫太空，成為世界上第一個在太空漫步的人。
事後他說，當我準備好出艙時，輕輕地推了一下艙蓋，於是人就像一個軟木塞一樣呼的一下便衝出了艙口。出艙後列昂諾夫在太空不僅浮遊，還翻筋鬥，並從艙外卸掉一個相機，移動了幾件艙外物體。事實證明，太空並不那麼可怕，人隻要穿上航天服和帶上生保背包，就能在艙外工作和生存。10分鍾後，別列亞耶夫提醒列昂諾夫準備返回座艙，可此時卻出了麻煩。列昂諾夫報告說取回艙外相機有困難，相機放進過渡艙時，一鬆手它就漂走，如此反複數次都是徒勞。
最後，列昂諾夫硬把相機推進通道，並用腳踩住，這才將相機放下。可這時列昂諾夫已精疲力竭，出汗量超出了他的航天服所能吸收的量。在他本人進入過渡艙時，又遇到了新問題。為了踩住相機，他的腳先進到過渡艙裏，可身子怎麼也進不去了，他被卡在了艙門口。這是因為太空是真空的，無法從外部對航天服施壓，此時的航天服比想象的要鼓得多，如氣球一樣。此外，因戴頭盔不能擦汗，汗水流到了眼睛上，汗氣也使麵罩模糊。這時，列昂諾夫除了聽到自己的心在咚咚地急促跳動外，什麼也看不清，聽不見。突然他靈機一動，給航天服放氣降壓。一次不行兩次，兩次不行三次，直到將航天服壓力降到了極危險的低限，即從40千帕降到25千帕。他終於穿著癟下來的航天服活著進了艙門。列昂諾夫在太空行走了10分鍾，但為了擠進艙門他卻拚力花了14分鍾。
一返回艙內後，不能重複使用的過渡艙即被拋掉。
列昂諾夫因完成這次飛行，被授予“蘇聯英雄”稱號。1975年7月15日~20日，作為船長參加了蘇聯“聯盟-19號”飛船(隨航工程師是庫巴索夫)和美國“阿波羅號”飛船的聯合航天。這是航天史上第一次按照“聯盟-阿波羅”計劃進行的重大的聯合科學實驗。它是根據1970年5月24日蘇維埃社會主義共和國聯盟和美利堅合眾國之間簽訂的為和平目的研究和利用宇宙空間的合作協定進行的。在6晝夜飛行過程中，首次檢驗了靠攏和對接協調吻合設備，實現了蘇美航天飛船的對接和兩艘飛船乘員的相互換乘，進行了聯合科學研究實驗。由於勝利地完成了這次飛行，表現英勇，再次榮獲“金星”
獎章。
為表彰列昂諾夫在開發宇宙空間方麵建立的功勳，蘇聯科學院授予他“齊奧爾科夫斯基金質獎章”1枚，國際航空聯合會授予他“宇宙金質獎章”2枚。
此外，還榮獲保加利亞人民共和國社會主義勞動英雄和越南社會主義共和國勞動英雄稱號。獲“列寧勳章”2枚，“紅星勳章”和三級“在蘇聯武裝力量中為祖國服務勳章”各1枚，獎章及外國勳章多枚。月球背麵一環形山以其名字命名。
人類首次月球車行駛
月球車是在月球表麵行駛並對月球考察和收集分析樣品的專用車輛。世界上第一顆人造衛星發射成功後，人們便開始了飛向地外天體的準備。然而，在對月球表麵探測過程中，采取什麼的運輸工具才有可能在月麵上進行實地考察呢？於是，產生了月球車。為了使月球車在月麵上能夠順利行駛，美國、蘇聯曾發射了一係列的衛星探測，並對月麵環境進行了反複的科學實驗，為在探測器上攜帶月球車的成功打下了可靠的基礎。
月球車分為兩類：無人駕駛月球車——由輪式底盤和儀器艙組成，用太陽能電池和蓄電池聯合供電。這類月球車的行駛是靠地麵遙控指令。有人駕駛月球車——這是由宇航員駕駛在月麵上行走的車。主要用於擴大宇航員的活動範圍和減少體力消耗，可隨時存放宇航員采集的岩石和土壤標本。
這類月球車的每個輪子各由一台發動機驅動，靠蓄電池提供動力，輪胎在-100益低溫下仍可保持彈性，宇航員操縱手柄駕駛月球車，可向前、向後、轉彎和爬坡。
1970年11月17日，蘇聯發射的“月球17號”探測器把世界上第一台無人駕駛的月球車——“月球車1號”送上月球。此車約重1.8噸，在月麵上行駛了10.5千米，考察了8萬平方米的月麵。此後蘇聯送上月球的“月球車2號”行駛了37千米，並向地球發回了88幅月麵全景圖。
1971年7月31日，美國“阿波羅15號”宇航員戴維斯.R.斯科特和詹姆斯.B.歐文進行了人類首次有人駕駛月球車行駛，他們駕駛著4輪月球車，在崎嶇不平的月球表麵上，越過隕石坑和礫石行駛了數千米。斯科特和歐文成為在月球上漫步的第7位和第8位人，而且是第一個在月球上駕車行駛的。