Sau khi Gagarin tốt nghiệp trường công nghệ năm 1955, quân đội Liên Xô đã gọi ông nhập ngũ.Theo một lời đề cử, Gagarin được gửi tới Trường Phi công không quân Chakov 1 ở Orenburg, và tự mình điều khiển chiếc máy bay MiG-15 vào năm 1957. Vào thời gian đó, ông gặp Valentina Ivanova Goryacheva, một kỹ thuật viên y khoa đã tốt nghiệp trường Y tế Orenburg. Họ kết hôn vào ngày 7, tháng 11 năm 1957, cùng ngày Gagarin tốt nghiệp trường ở Orenburg.

Trước khi ra trường, ông được bổ nhiệm làm việc ở Căn cứ không quân Luostari ở Murmansk Oblast, gần ranh giới Norwegian, nơi có thời tiết rất tồi tệ để bay. Ông trở thành trung úy trong Không quân Xô-viết vào ngày 5, tháng 11 năm 1957. Ngày 6, tháng 11 năm 1959 ông được nhận quân hàm Thượng úy.