«Спутник-1» был выведен на орбиту ракетой Р-7, самой мощной управляемой ракетой, которая в то время была в СССР. Впечатляющий носитель состоял из центрального тела ракеты и четырех заостренных ускорителей. На старте двигатель сердцевины и ускорители запускались одновременно. Каждый навесной ускоритель был оснащен одним двигателем, создающим тягу 110 т на уровне моря. Спустя примерно две минуты после старта четыре навесных ускорителя отделялись от сердцевины. Ракета продолжала полет, поднимая Р-7 вверх и выводя спутник на орбиту. Разработка Р-7 отразила впечатляющую возможность Советов выводить на орбиту огромные по тем временам грузы (и соответственно, способность посылать ракеты с боеголовками для поражения удаленных целей). В 1957–1958 годах Р-7 выведет на орбиту несколько искусственных спутников. Ее преемник, носитель «Восток», впервые запущенный в сентябре 1958 года и способный выводить на орбиту полезный груз в 5 т, являлся усовершенствованной конструкцией Р-7. Эта была та самая ракета, которая в 1961 году поднимет в космос первого советского космонавта.
Волнующий запуск спутника на орбиту произошел в пятницу, 4 октября, ровно в 22 часа 28 минут 34 секунды по московскому времени. Этот решающий день был наполнен незначительными задержками. И все-таки все эти срывы, как и недели напряженнейшего труда, померкли в памяти, когда Р-7 с ревом оторвалась от земли. Из командного укрытия Королёв и его ведущие помощники Василий Рябиков, Валентин Глушко, Мстислав Келдыш и Николай Пилюгин через перископы следили за историческим запуском. Ответственность за проведение запуска ракеты была возложена на Бориса Чекунова. В тот момент, когда Чекунов нажал на кнопку, пять двигателей ракеты заработали, образуя один яркий огненный бушующий пожар, и земля сотряслась от удара тяги в 508 т. Ракета величаво поднималась в небо, набирая скорость до 27 840 км/ч. Достигнув высоты 227 км, центральный двигатель отключился. «Спутник-1» со своими четырьмя пружинящими антеннами вышел на свободную орбиту вокруг Земли. Орбита с наклоном в 65° к плоскости экватора представляла собой эллипс с удалением от Земли на расстояние от 226,7 до 940,8 км. Не успел спутник начать свой орбитальный полет, как на Землю пошли радиосигналы; первой подтвердила прием отчетливых «бип-бип-бип» с орбиты спутника советская станция, расположенная на Камчатке. Никита Хрущев, который в то время присутствовал на совещании на Украине, получил сообщение об успешном запуске спутника приблизительно в 23 часа. Хрущев разделил энтузиазм Королёва, объявив о наступлении новой эры, эры, «которая на деле продемонстрировала преимущества социализма».