12 апреля 1961 впервые в мире совершил полёт в космос на космическом корабле-спутнике "Восток". Г. облетел земной шар за 1 ч 48 мин и благополучно вернулся на Землю. После полёта Г. непрерывно совершенствовал своё мастерство как летчик-космонавт, а также принимал непосредственное участие в обучении и тренировке экипажей космонавтов, руководил полётами космических кораблей. Г. вёл большую общественно-политическую работу. Посетил многие страны мира. Депутат Верховного Совета СССР 6 и 7-го созывов. Член ЦК ВЛКСМ (избран на 14-м и 15-м съездах ВЛКСМ). С 1966 почётный член Международной академии по астронавтике и исследованию космического пространства. Награждён орденом Ленина, а также высшими наградами многих зарубежных государств.

Трагически погиб в авиационной катастрофе вблизи деревни Новосёлово Киржачского района Владимирской области при выполнении тренировочного полёта на самолёте. Похоронен на Красной площади в Москве.

В целях увековечения памяти Г. Президиум Верховного Совета РСФСР переименовал г. Гжатск Смоленской области в г. Гагарин и Гжатский район Смоленской области в Гагаринский район. Имя Ю. А. Гагарина присвоено Краснознамённой ордена Кутузова Военно-воздушной академии в Монино. Именем Гагарина назван кратер на обратной стороне Луны.

В 1968 Международная авиационная федерация (ФАИ) учредила золотую медаль им. Ю. А. Гагарина, которой ежегодно награждаются лётчики-космонавты, достигшие наивысших результатов в области освоения человеком космического пространства в мирных целях. Первой медалью награждён Г. Т. Береговой (1969).