Leonov oli yksi kahdestakymmenestä ensimmäiseen kosmonauttiryhmään vuonna 1960 valitusta. Hänen avaruuskävelynsä piti olla alun perin Vostok 11 -lennolla, mutta kun se peruuntui, kävely tapahtui Voshod 2:lla. Hän oli ulkona noin viisi metriä avaruusaluksesta 12 minuutin ajan 18. maaliskuuta 1965. Avaruuskävely oli päättyä katastrofiin, kun Leonovin avaruuspuku oli avaruuskävelyn aikana tyhjiössä paisunut, mutta ylipaineventtiilin avaamisen pienennettyä avaruuspuvun kokoa hän pääsi takaisin alukseen.[3]
Aleksei Leonov Apollo-Sojuz-lennolla
Vuonna 1968 Leonov valittiin Kuun kiertävälle Sojuz-lennolle, mutta kun kaikki miehittämättömät testilennot epäonnistuivat ja Yhdysvallat oli kiertänyt Kuun Apollo 8:lla, lento peruuntui. 1971 Leonovin piti osallistua epäonniselle Sojuz 11 -lennolle, mutta miehistö vaihdettiin varamiehistöön, kun kosmonautti Valeri Kubasovin epäiltiin sairastavan tuberkuloosia.
Leonovin seuraavakin lento oli merkittävä: hän oli komentajana Neuvostoliiton puolella Apollo-Sojuz-testiprojekti-lennolla (Sojuz 19), joka oli Yhdysvaltojen ja Neuvostoliiton ensimmäinen yhteinen avaruuslento.
