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。他的主要任务是：获取关于宇宙飞行条件对人机体影响的补充资料；考察人体在失重条件下的工作能力；进一步完善飞船各种系统以及通讯、操纵和着