Следующий «Восход» готовили к принципиально другому орбитальному рейсу. На сей раз летели два космонавта, но один из них должен был выйти в открытое космическое пространство. Корабль 3КД («Восход-2») отличался от 3КВ прежде всего наличием мягкой шлюзовой камеры «Волга», которая крепилась снаружи на спускаемом аппарате и надувалась по команде с пульта. Для космонавтов создали специальные скафандры «Беркут», позволяющие работать до четырех часов в разгерметизированном корабле и до сорока пяти минут в открытом космосе. Однако ресурсов не хватало, поэтому удалось изготовить только два корабля 3КД, и первый из них, запущенный в беспилотном варианте, взорвался при сходе с орбиты.
Хотя «Восход-2» оставался очень «сырым», он стартовал 18 марта 1965 года. Космонавты Павел Иванович Беляев и Алексей Архипович Леонов тоже пробыли на орбите сутки, но этот полет превратился для них в череду опасных приключений. Во время выхода в открытый космос Леонов обнаружил, что его скафандр сильно раздулся от внутреннего давления. Чтобы пролезть обратно в шлюзовую камеру, ему пришлось сбросить давление. Такая процедура могла привести к кессонной болезни, но космонавту повезло. В камеру Леонов вошел головой вперед, что считалось очень рискованной операцией, ведь в наземных условиях у него ни разу не получалось ее выполнить. И, к счастью, опять все получилось. Когда космонавты расположились в креслах и загерметизировали корабль, то обнаружили, что внутренняя атмосфера быстро насыщается кислородом. По совету с Земли они попытались снизить температуру и влажность воздуха в кабине, однако заметного эффекта это не произвело. Причину странного явления никто не может назвать по сей день. В качестве рабочей версии фигурирует предположение, что из-за разницы температур на внешнем корпусе корабля он слегка деформировался и образовалась тончайшая щель на срезе выходного люка – через нее утекал воздух, а система жизнеобеспечения воспринимала процесс как аварийный и упорно нагнетала кислород в кабину. Только через семь часов полета сработал аварийный клапан перепуска, вибрационным толчком корабль тряхнуло, и крышка люка плотно села на свое место, закрыв щель.
При возвращении на Землю не сработала автоматическая система ориентации корабля – Павлу Беляеву пришлось вспоминать тренировки и ориентировать его вручную. При этом космонавты поднялись из кресел, что сыграло негативную роль: во время работы тормозного двигателя возник нерасчетный эксцентриситет, и корабль перелетел «точку прицеливания» на 165 километров. Спускаемый аппарат приземлился в глухой тайге, где ночью температура опускалась до -25 °C. Место приземления поисковые группы обнаружили только через четыре часа, и с того момента над ним посменно барражировали самолеты. Космонавтам сбрасывали теплую одежду, продукты и коньяк. На рассвете следующего дня спасатели нашли подходящую для вертолета площадку, высадились там и вскоре на лыжах добрались до «Восхода-2».