Valentina Tereshkova (trái) và Valery Bykovsky (phải) tại Trung tâm huấn luyện Ngôi Sao trước chuyến bay song hành ngày 16-6-1963

Sau chuyến bay của Yuri Gagarin vào năm 1961, Sergey Korolyov, kĩ sư trưởng của chương trình vũ trụ Liên Xô, nghĩ tới việc đưa một phụ nữ lên vũ trụ. Vào ngày 16 tháng 2 năm 1962, Tereshkova được chọn vào đội nữ du hành vũ trụ. Cuối cùng năm người được chọn trong hơn bốn trăm ứng cử viên: Tatiana Kuznetsova, Irina Solovyova, Zhanna Yerkina, Valentina Ponomaryova và Tereshkova. Điều kiện tuyển chọn bao gồm ứng cử viên phải là những người từng nhảy dù dưới 30 tuổi, thấp hơn 1,70 m và cân nặng không quá 70 kg.

Tereshkova là ứng cử viên sáng giá nhất vì lý lịch "vô sản" của bà và cũng bởi vì cha bà, Vladimir Tereshkov, một sĩ quan lái xe tăng, đã hi sinh như một anh hùng trong cuộc chiến chống phát-xít Đức.

Các cuộc luyện tập bao gồm bay không trọng lượng, các cuộc kiểm tra cách li, kiểm tra li tâm, lý thuyết tên lửa, kĩ sư tàu vũ trụ, 120 chuyến nhảy dù và huấn luyện lái máy bay phản lực MiG-15UTI. Tuy nhiên, họ không tập luyện cùng với đội du hành vũ trụ thật sự và nhiệm vụ của họ cũng ngang với công việc của các nam du hành vũ trụ. Các nhà lãnh đạo Liên Xô cho rằng chuyến bay đưa phụ nữ vào vũ trụ chỉ nhằm mục đích tuyên truyền. Đích thân Nikita Khrushchyov là người lựa chọn quyết định và ông đã chọn Tereshkova trong năm người.

Vào ngày 16 tháng 6 năm 1963, bà bay vào vũ trụ trên tàu Vostok 6, trở thành người phụ nữ đầu tiên, cũng như là một thường dân đầu tiên bay vào vũ trụ. Chuyến bay này được gọi là Chayka (Ча́йка; có nghĩa là mòng biển). Bà bay quanh Trái Đất 48 vòng với gần 3 ngày trên vũ trụ. Số lần bay quanh Trái Đất của bà nhiều hơn tổng số lần của các nhà du hành vũ trụ Mỹ tính đến thời điểm đó. Công tác của bà là tiếp tục việc ghi lại nhật ký chuyến bay và chụp ảnh đường chân trời, sau được dùng để phân biệt các tầng khí trong bầu khí quyển.

Tem của Liên Xô in năm 1963 với hình Valentina Tereshkova trong bộ đồ du hành vũ trụ

Trong toàn thể chuyến bay bà ở trong tình trạng nôn mửa. Những báo cáo sau này cho thấy Korolyov không hài lòng với công việc của Tereshkova ở trên vũ trụ và không cho phép Tereshkova thực hiện một số thao tác điều khiển tàu vũ trụ như đã lên kế hoạch. Người phó của Korolyov là Vasily Mishin tuyên bố rằng Tereshkova "có tâm lý không ổn định"[cần dẫn nguồn]. Sau khi hạ cánh, bà đã cho mọi người xem khẩu phần ăn của mình, để che giấu sự thật là bà đã ăn không đủ trong suốt chuyến bay. Bà bị thương khi hạ cánh và được cấp tốc gửi đến bệnh viện. Ảnh chụp bà hạ cánh với một nụ cười là được dựng lại sau này.

Vostok là chuyến bay Vostok cuối cùng và khởi hành chỉ hai ngày sau Vostok 5, chuyến bay đưa nhà du hành vũ trụ Valery Fyodorovich Bykovsky lên quỹ đạo Trái Đất trong năm ngày và hạ cánh chỉ ba giờ sau Vostok 6. Hai tàu vũ trụ này đã có lúc chỉ cách nhau 5 km trên quỹ đạo và liên lạc với nhau qua tín hiệu radio.

Mặc dù có những kế hoạch tiếp tục đưa phụ nữ lên vũ trụ, nhưng mãi đến 19 năm sau người phụ nữ thứ hai, Svetlana Yevgenyevna Savitskaya, mới lên vũ trụ, một phần do áp lực của kế hoạch Space Shuttle của Mỹ cũng với mục đích tổ chức các chuyến bay cho các nhà nữ du hành vũ trụ. Không ai trong số bốn người còn lại trong nhóm du hành của Tereshkova được thực hiện chuyến bay lên vũ trụ.