1968年3月27日、ガガーリンは教官とともに搭乗したMiG-15UTIでキルジャチ付近を飛行中、墜落事故を起こし、死亡した。享年34(歳)。事故の正確な原因は長らく不明であり、政治的思惑が絡んだ人為的な事故説などの陰謀論も含めて噂されていた。ガガーリンが搭乗時に飲酒していたという噂も流れたが、彼は飛行前のメディカルチェックに合格しており、死後行われた調査でも飲酒を示す一切の証拠は見つからなかった。陰謀論以外として、付近を飛行していた別の軍用機に巻き込まれたというものがある。1986年に発表された調査資料によれば、Su-11迎撃機が付近を高速飛行したため、その衝撃波に巻き込まれて操縦不能状態になった可能性が示唆されている。1988年のプラウダ紙の報道では、ガガーリンの近くを管制ミスのためMiG-21が通過し、事故を招いたという調査結果が取り上げられた。2005年に発表された新説では、コックピットの通気口が故障か前の搭乗者のミスで開いたままになっており、そこから酸素が漏れ出して低酸素状態になり、意識を失って操縦不能状態に陥ったとしている。2011年4月に機密解除された当時のソ連政府調査委員会の報告書によると、気象観測用気球か鳥との衝突を避けようとして操縦不能に陥ったことが原因だったと結論付けられている。しかし、ガガーリンの同僚であり事故調査委員会にも参加していたアレクセイ・レオーノフはこの結論を否定し、また彼の証言として調査結果に記載された内容が捏造だったことを明かしている。レオーノフは2013年に、無許可で発進したSu-15が付近を通過し、それを回避しようとしたガガーリンのMiG-15が回避しきれず操縦不能に陥り、結果として墜落に至ったことが死因だったと語っている。レオーノフはまた、事故を引き起こしたSu-15のパイロットはソ連邦英雄であり、名前を公にしないことを条件に真相を明かすことを許されたとも述べている。
宇宙からの帰還後、ガガーリンはソビエトの宇宙計画の広告塔として世界を旅した。ガガーリンは激変した自分の環境にもうまく適応したかのようであったが、徐々に精神的に弱り、酒を飲むようになった。1961年には自傷行為を起こしている。その後、ガガーリンは飛行指揮官となるため、訓練の一環として飛行訓練を再開する。1967年には親友でもあるウラジーミル・コマロフが搭乗するソユーズ1号のバックアップ要員を務める。試験飛行が1度も成功しないままソユーズが出発の日を迎えた時、ガガーリンは宇宙服を着て「自分が乗る」とコマロフをかばったという。結果的にコマロフは宇宙船自動安定化システムの機能停止や大気圏突入時パラシュートが絡まるなどのトラブルで死亡してしまう。
1961年4月12日、ガガーリンはボストーク3KA-2で世界初の有人宇宙飛行に成功した。このときのコールサインは「ケードル（Кедр、ヒマラヤスギの意）」であった。飛行中「祖国は聞いている」という歌（エヴゲーニー・ドルマトフスキー作詞、ドミートリイ・ショスタコーヴィチ作曲・作品86）を口ずさんで自分自身を元気づけていたといわれている。 ガガーリンを乗せた宇宙船は、地球周回軌道に入り、大気圏外を1時間50分弱で1周し、ソ連領内の牧場に帰還した。当初は宇宙船と共に着陸したとされていたが、実際は高度7000mで飛行士を座席ごとカプセルから射出して、一人パラシュートで降下させるという、大きな危険を伴うものだった。飛行中に、ガガーリンは自分が中尉から少佐へ昇進（二階級特進）したというタス通信のニュースを聞いた。ガガーリンも喜んだが、このような発表を飛行中のガガーリンに伝えた本当の理由は、当時の技術では政府高官がガガーリンが生きて帰還する可能性が低いと考えていたからだといわれている。地上に無事帰還すると、ガガーリンは一躍「時の人」となった。ニキータ・フルシチョフとの対面では、ガガーリンはこのような計画を成功に導いた共産党の偉大さを賞賛した。フルシチョフにとってガガーリンの成功は、通常兵器を犠牲にしてまで自ら推し進めたミサイル力増強計画の成果を示すものであった。
1960年代、宇宙開発が本格的に始まったことに伴って宇宙飛行士の選抜が始められ、ガガーリンも20人の候補生の一人に選ばれた。ガガーリンは他の飛行士たちとともに、宇宙飛行に必要な身体的・精神的耐久性をテストされながら、厳しい訓練を受けた。ついに世界初の有人宇宙飛行が行われることが決まったとき、パイロットの候補はガガーリンとゲルマン・チトフのどちらかにしぼられた。二人とも訓練結果が優れていただけでなく、身長が高くなかったことが決め手となった。なぜなら、最初期のボストーク宇宙船は非常に小さく、大柄な人間が乗ることは困難であったからである。最終選考の結果、選ばれたのはガガーリンだった。この決定は政府の上層部によって行われたが、決め手となったのはガガーリンが労働者階級出身にあることに加え温和で社交的な性格と、「ユーリイ」というロシア的な名前、そして労働者階級出身の英雄という点を強調しやすい生い立ちにあった。なお選考に漏れたチトフは後にガガーリンに継ぐ二番目の宇宙飛行士になっており、自ら機体を操縦し大気圏外で食事をするなどの実験を行い、その様子は記録映像に残されている。
浪江町立大堀小学校2年生の時に野球をスタート。当初のポジションは内野手であったが、相双中央シニアに所属していた中学生時代に投手へ転向した。相双中央シニア時代のチームメイトに、赤間謙（浪江町と同じ双葉郡楢葉町出身）がいる。中学卒業後に聖光学院高等学校へ進学。野球部の2学年後輩に、歳内宏明がいる。在学中には、2年の春・夏および、3年夏に甲子園球場の全国大会へ出場。2年春の選抜大会では、東浜巨・嶺井博希を擁する沖縄尚学高校との初戦に代打で出場しただけで、チームも敗退した。2年夏の選手権大会では、藤井宏政がいた兵庫県立加古川北高等学校との初戦（2回戦）に救援で登板すると、1回を無失点に抑えてチームを初戦突破に導いた。続く3回戦では登板の機会がなかったが、チームの勝利によって準々決勝へ進出。土屋健二・筒香嘉智・倉本寿彦擁する横浜高校との準々決勝には登板したものの、2回1/3を投げて4失点を喫した末に、チームは1―15というスコアで大敗した。3年夏の選手権大会では、吉川大幾などがいるPL学園との初戦に先発したが、チームは3―6というスコアで敗れている。高校卒業後に早稲田大学へ進学。在学中は、故障に悩まされながらも、主に救援投手として活躍した。東京六大学野球のリーグ戦には、通算で26試合に登板。2勝3敗、防御率2.49の成績を残した。なお、野球部の2学年先輩に土生翔平・塚田晃平、1学年先輩に杉山翔大、1学年後輩に有原航平・中村奨吾・高梨雄平、2学年後輩に茂木栄五郎・重信慎之介がいる。2013年のNPBドラフト会議で、地元球団の東北楽天ゴールデンイーグルスから6巡目で指名、契約金2,500万円、年俸720万円（金額は推定）という条件で入団した。入団当初の背番号は54。