培训后，他成为基洛夫堡高等空军学院图-2轰炸机纵队的副指挥。由于表现优异，他被送往切尔尼戈夫高等军事航空飞行员学院深造，1954年12月29日毕业，获得中尉军衔。之后在莫斯科近郊防空部队歼击机大队第401队服役。1957年4月30日晋升上尉。同年加入苏联共产党。1960年，他同加加林、季托夫等一起，通过了选拔和考核，成为苏联第一批宇航员。1961年8月6日，当季托夫准备乘坐东方二号起飞的时候，尼古拉耶夫是季托夫的替补。1962年8月11日莫斯科时间11时30分，尼古拉耶夫驾乘“东方3号”飞船升空。他的