列昂諾夫，1934年5月30日出生於克麥羅沃州。他兒時深受齊奧爾科夫斯基的影響，說齊氏的科幻名著《地球之外》是他後來步人太空的引路者。1957年，列昂諾夫從丘古耶夫航校畢業後，進入航空兵部隊當飛行員。1960年他和加加林等人一起被選人第一批航天員隊伍。
1964年，航天總設計師科羅廖夫提出航天員到艙外空間活動的實驗計劃，列昂諾夫被選為第一個進行太空行走的人。科羅廖夫對列昂諾夫說；“這是人類曆史上第一次步人太空，沒有經驗，沒有資料，全靠你自己去掌握了。”1965年3月18日莫斯科時間10時，蘇聯發射“上升”2號飛船，列昂諾夫隨指令長巴維爾·別列亞耶夫升空，進入遠地點497千米、近地點173千米的軌道上飛行，並開始準備太空行走。
列昂諾夫在別列亞耶夫的幫助下，穿上約90千克的航天服，將“生命支持係統”背包放在增壓航天服外，開始吸純氧，然後係上一根575米包絡電話線的繩子，準備工作花了1個多小時。當飛船飛到第2圈時，在確保座艙密封完好的情況下，列昂諾夫打開座艙向內開的艙蓋，進入密封過渡艙。別列亞耶夫向他說：“祝你走運！”列昂諾夫在過渡艙內為自己的航天服增壓，檢查了航天服的密封性，戴正頭盔。別列亞耶夫關上座艙蓋，並給過渡艙減壓。11時34分，列昂諾夫打開外艙蓋，在艙口定了定神，便像酒瓶木塞一樣彈射出去，一躍進入茫茫太空。他眼前呈現出了一幅壯麗景象：漆黑的太空中布滿明亮的星星，但並不閃爍；太陽和星星同時在天空照耀，甚至能看出太陽周圍的日冕；再往下看是人類美好的家園，湛藍的海洋、墨綠的森林、彎曲的河流、覆蓋白雪的高山、棕色的陸地、飄浮的雲……他在自己作的一幅《步人太空》的畫中描繪了這些情景。列昂諾夫被飛船上伸出的那根粗粗的纜繩牽著，在失重狀態下就像是在海洋中遊泳一般。人步入太空後遇到的最大困難是溫差太大，向陽一麵高達130多攝氏度，背陽一麵則低達零下130多攝氏度，因此他不停地旋轉身體，以保持溫度的平衡。他盡力嚐試做點事情，如摘下可移動的攝像機拍照，搬動幾件艙外物體等。列昂諾夫在艙外活動24分鍾，其中自由漂浮12分鍾，多次離開飛船的距離達5米，表明航天員完全可以在敞開的太空中生存。
當別列亞耶夫通知列昂諾夫結束太空行走返回座艙時，出了一點意想不到的麻煩。列昂諾夫先是怎麼也不能把攝像機放進過渡艙，他取回掛在艙外的攝像機，硬把它推進過渡艙，用雙腳踩住，才製服了容易飄走的攝像機；後來，進入座艙的身體又被卡在艙門口，由於真空中沒有大氣壓，航天服像氣球一樣膨脹起來，列昂諾夫體力消耗很大，身上汗流浹背，心跳得怦怦直響，對航天服進行3次減壓後，花了12分鍾才把身體蜷縮起來擠進了艙門，排除了險情。