Через півтори години після старту 18 березня 1965 року Леонов покинув шлюзову камеру корабля і 12 хвилин перебував у вільному польоті. Офіційна кінохроніка розповідала про тріумфальний запуск, не згадуючи нештатні ситуації, які відбувалися як на орбіті, так і під час посадки.
Олексій Леонов здійснив два космічні польоти, налітавши в цілому 7 діб 33 хвилини, і перший в світі вихід у відкритий космос (загальний час — 23 хвилини 41 секунда, з них 12 хвилин 9 секунд — за межами корабля).
У 1967-1970 роки Леонов очолював групу космонавтів, що готувалися до польоту на Місяць. Після закриття місячної програми проходив підготовку за програмою ДОС (“Довгострокова орбітальна станція”), але на перші станції “Салют” не літав.
В ході другого польоту, 15-21 липня 1975 року, як командир екіпажу брав участь в першому стикуванні космічних кораблів різних країн — “Союз-19” (СРСР) і Apollo 18 (США). Тоді на орбіті відбулася зустріч і історичне рукостискання членів двох екіпажів — Олексія Леонова, Валерія Кубасова, Венса Бранда, Томаса Стаффорда, Дональда Слейтона.
Після офіційного виходу на пенсію співпрацював з комерційними організаціями. Леонов малював картини, зокрема, він був автором серії поштових марок на космічну тему, випущених в 1967 році, і написав декілька книг.
Олексій Леонов буде похований 15 жовтня на меморіальному кладовищі в Митищах.