Za pierwszym razem od 18 marca do 19 marca 1965 odbył lotstatkiem kosmicznymWoschod 2 w charakterze drugiego pilota. Podczas lotu jako pierwszy człowiek wyszedł w otwartą przestrzeń kosmiczną wskafandrze typuBierkut. Spacer trwał 12 minut i 9 sekund. Powrót do wnętrza statku okazał się niezwykle utrudniony z powodu powiększenia się objętości skafandra w warunkach próżni kosmicznej.
Drugi lot odbył na statku Sojuz 19 razem zWalerijem Kubasowem. Start nastąpił 15 lipca 1975 o 12:20GMT zkosmodromuBajkonur, a lądowanie 21 lipca 1975. W ramach programuApollo-Sojuz statek Sojuz 19 pod dowództwem Aleksieja Leonowa podczas lotu kilkakrotnie łączył się z amerykańskim statkiemApollo. Było to pierwsze w historii połączenie na orbicie statkuamerykańskiego iradzieckiego. Łącznie w obu pojazdach leciało trzechastronautów amerykańskich i dwóch kosmonautów radzieckich. Obie kapsuły wystrzelono 15 lipca 1975 w odstępie siedmiu i pół godziny. Dwa dni później pojazdy wykonały manewr cumowania, a po trzech godzinach od połączenia dowódcy statków –Thomas Stafford i Aleksiej Leonow podali sobie ręce przez otwarte włazy.
_1965%2c_MiNr_1138.jpg)
._Soviet_and_American_astronauts%2c_flags_%2526_project_emblem).png)
._Soviet_Mission_Control_Centre._Soviet_and_American_astronauts_%2526_project_emblem).png)