A kezdeti sikeres műholdindításokat követően mindkét nagyhatalom az ember űrbe juttatását tűzte ki célul. Amerikában ez nyílt folyamat volt (teljes sajtónyilvánosság előtt hivatalosan megalapították a NASA-t és bejelentették a Mercury-programot), a Szovjetunióban pedig titkos katonai program. A versengés végén 1961. április 12-én a Vosztok–1 űrhajó fedélzetén Jurij Gagarin végrehajtotta az első űrrepülést. A 108 perces repülés alatt egyszer kerülte meg a Földet.

Gagarin repülését újabb hidegháborús vereségként élték meg az USA-ban, ezért John F. Kennedy elnök meghirdette az Apollo-programot, nyílt versenyre hívva a Szovjetuniót. A történelem az ezt követő űrrepüléseket – és a hozzájuk szervesen kapcsolódó ideológiai harcot – nevezi űrversenynek.

A Mercury program és a Vosztok-program az űrbeli tapasztalatgyűjtést szolgálta. Ebben a szovjetek jutottak messzebbre. Mindjárt a második start alkalmával German Tyitov a Vosztok–2-vel egy teljes napot repült. A harmadik és negyedik startra egymást fedő időben került sor, azaz páros repülést mutatott be Adrian Nyikolajev és Pavel Popovics a Vosztok–3 és a Vosztok–4 fedélzetén. 1963. június 16-án pedig a szintén kettős repülésen részt vevő űrhajó, a Vosztok–6 vitte az űrbe a világ első űrhajósnőjét, Valentyina Tyereskovát.

A Hold elérése bonyolult űrműveleteket és jobb űrhajókat kívánt, ezért a két nagyhatalom újabb űrprogramot indított. Amerikában elindult a Gemini-program, a Szovjetunióban pedig a Voszhod-program.

A Voszhod-program hozott előbb látványos eredményeket. 1964. október 12-én a Voszhod–1 lett az első, több embert szállító űrhajó Vlagyimir Mihajlovics Komarovval, Borisz Boriszovics Jegorovval, Konsztantyin Petrovics Feoktyisztovval a fedélzetén. A Voszhod–2-ről pedig Alekszej Leonov tette meg a világ első űrsétáját 1965. március 18-án.

A Gemini-programmal a világ első űrrandevúját (Gemini–6, Gemini–7 (1965. december 15.) és a világ első űrdokkolását (Gemini–8 (1966. március 16.) érték el az űrhajósok.