Voskhod 2
Bước đi trong không gian

Trong quá trình bay lên quỹ đạo Voskhod 2, Leonov và Belyayev đã tiến hành gắn ba lô EVA (Ba lô cung cấp dưỡng khí cá nhân) lên bộ quần áo bảo hộ Berkut của Leonov, đây là bộ đồ không gian được sửa đổi từ bộ đồ phi hành gia Sokol-1 vốn được sử dụng trong các sứ mệnh Vostok trước đó. Ba lô EVA cung cấp khí oxy đủ để phi hành gia dùng trong 45 phút. Oxy được thông qua van xả vào không gian, mang theo hơi ẩm và khí CO2. Áp suất của bộ đồ không gian có thể được đặt ở mức 40,6 kPa (5,89 psi) hoặc 27,40 kPa (3,974 psi).
Belyayev sau đó tiến hành duỗi thẳng khoang điều áp và tăng áp cho khoang. Khoang điều áp rất cần thiết do hai lí do: đầu tiên, các thiết bị điện tử sử dụng ống chân không do đó chúng cần phải được duy trì ổn định áp suất để làm lạnh không khí. Mặt khác, không thể mang theo nguồn cấp ni tơ và oxy điều áp cho khoang sau khi phi hành gia hoàn thành nhiệm vụ đi bộ ngoài không gian, do giới hạn về trọng lượng rất ngặt nghèo của tàu vũ trụ. Để so sánh, tàu vũ trụ Gemini của Mỹ sử dụng thiết bị điện tử bán dẫn, và trong môi trường điều áp chỉ có khí oxy ở áp suất 69 kPa (10,0 psi), có thể dễ dàng điều áp trong khoang tàu sau khi tiến hành EVA. Khoang điều áp Volga của tàu Voskhod 2 đã được chế tạo và thử nghiệm trong vòng 9 tháng giữa năm 1964. Tại thời điểm phóng tàu, khoang điều áp Volga được gắn trên cửa sập của Voskhod 2, nhô ra 74 cm (29 in) ngoài vỏ tàu vũ trụ. Khoang điều áp gồm vòng kim loại rộng 1,2 m (3,9 ft), được gắn trên cửa sập mở vào trong của tàu Voskhod 2, cùng với đó là một ống vải hai lớp khi triển khai sẽ có chiều dài 2,5 m (8,2 ft), cửa sập của khoang điều áp có đường kính 65 cm (26 in). Thể tích của khoang điều áp Volga là 2,50 m³.
Khoang Volga được duỗi ra trong thời gian bảy phút, và được điều áp nhờ bốn bình chứa oxy hình cầu. Hai đèn chiếu sáng bên trong khoang điều áp và ba camera 16mm - hai trong cửa gió, một bên ngoài trên một cần dài gắn ở vành trên - đã ghi lại chuyến đi bộ ngoài không gian đầu tiên lịch sử.
Belyayev có nhiệm vụ điều khiển khoang điều áp từ bên trong tàu Voskhod 2, tuy nhiên cũng có một bộ điều khiển dự phòng dành cho phi hành gia Leonov bên trong khoang điều áp. Leonov đi vào khoang Volga, sau đó Belyayev tiến hành đóng cửa sập nối giữa Voskhod 2 và khoang điều áp, tiến hành giảm áp cho khoang Volga. Leonov mở cửa sập khoang điều áp và đẩy ra ngoài khoảng không vũ trụ dây rốn dài 5,35 m (17,6 ft) nối ông với tàu vũ trụ. Về sau Leonov khẳng định dây rốn đã giúp ông có thể kiểm soát được hướng di chuyển tự do của mình trong không gian. Leonov cho biết ông có thể nhìn thấy từ eo biển Gibraltar đến biển Caspi.
Sau khi Leonov trở lại ghế của mình, Belyayev đã kích hoạt các bulong nổ để tách bỏ khoang Volga. Sergei Korolev, Tổng công trình sư viện thiết kế OKB-1 (hiện nay là RKK Energia), khẳng định Leonov có thể ở ngoài không gian lâu hơn nhiều so với thực tế, trong khi Mstislav Keldysh, trưởng nhóm nghiên cứu thuyết chương trình không gian Liên Xô, Chủ tịch Viện hàn lâm khoa học Liên Xô, tin rằng lần thực hiện EVA thành công của Leonov đã chứng minh các phi hành gia trong tương lai có thể làm việc ngoài không gian dễ dàng hơn.
Cơ quan thông tấn của chính phủ Liên Xô, TASS, thông báo, "sau khi bước đi bên ngoài vũ trụ và trở về tàu, Leonov vẫn cảm thấy khỏe mạnh." Tuy nhiên, sau khi chiến tranh Lạnh kết thúc, các tài liệu giải mật cho thấy một câu chuyện khác — Bộ đồ phi hành gia Berkut của Leonov bị phồng, khiến cho ông gặp khó khăn trong gập người. Vì lí do này mà Leonov không thể với tới nút chụp ảnh được gắn trên đùi của mình để chụp lại ảnh tàu Voskhod 2, nhưng vẫn có thể thu hồi lại máy ảnh gắn trên Volga-qua đó ghi lại chuyến đi bộ ngoài không gian của ông. Sau khi đi bộ ngoài không gian trong vòng 12 phút, Leonov đã quay trở lại tàu.
Sau này người ta biết được rằng Leonov đã đưa đầu vào khoang điều áp trước-thay vì đưa chân vào trước, cửa sập đóng tự động tuy nhiên nó bị kẹt, do vậy Leonov không thể quay lại để đóng kín cửa sập. Ông khi đó đã phải giảm áp bộ đồ bảo hộ của mình để có thể gập người và đóng cửa sập bằng tay. Leonov đã dự định uống một viên thuốc tự tử nếu như không thể quay trở lại Voskhod 2, và Belyayev buộc phải bỏ lại ông ở trên quỹ đạo.
Các bác sĩ đã báo cáo rằng Leonov gần như đã bị sốc nhiệt — nhiệt độ cơ thể ông đã tăng 1,8 °C (3,2 °F) trong vòng 20 phút; Leonov đã kể lại sau đó rằng ông đã ướt đẫm mồ hôi trong bộ đồ phi hành gia.