从一圈飞行走向整整一天
1961年4月尤里·加加林完成首次载人绕地飞行后，苏联下一次任务需要回答一个更具体的问题：人在失重中能否持续生活和工作，飞船设备又能否可靠运转一个昼夜。东方二号因此把进食、睡眠、手动控制和观察安排进连续的在轨生活。
航程长短曾引起争论。航空医学人员倾向先飞三圈，谢尔盖·科罗廖夫则主张一天的任务。最终批准的方案要求完成十七圈，在第十八圈开始时返回。1961年7月7日，姆斯季斯拉夫·克尔德什、科罗廖夫、尼古拉·卡马宁和尤里·莫兹若林签署的任务文件列明了长期失重、人工定向、无线电通信、摄影和目视观察等目标。
训练与八月六日发射
驾驶员格尔曼·季托夫曾是加加林的备份人选，这次由安德里扬·尼古拉耶夫担任他的备份。准备工作包括加速度与隔离训练、短时失重飞行、跳伞，以及在飞船中演练正常操作和故障处置。工程人员鲍里斯·劳申巴赫参与人工定向训练，谢尔盖·达列夫斯基检查仪表台操作，弗拉基米尔·亚兹多夫斯基负责医学方面的工作。
8月6日莫斯科时间9时，二十五岁的季托夫乘东方二号从哈萨克斯坦境内的丘拉塔姆发射场，即拜科努尔航天发射场升空。8K72K运载火箭顺利将飞船送入近地轨道。飞船质量约4731千克，密封座舱具有生命保障设备；季托夫的报告称，座舱维持常压，原有的生活保障储备可供更长时间使用。
在轨操作、摄影和睡眠
季托夫在第一圈和第七圈两次接管姿态控制，用喷气装置调整飞船朝向。这样的操作检验了驾驶员在失重条件下使用控制系统的能力。他还利用舷窗观察地球，并使用电影摄影机拍摄地平线进入和离开地球阴影时的景象，获得约十分钟影像。测光装置发生故障，没有使摄影任务完全中断。
舱内电视向地面传回了驾驶员活动，生理传感器记录身体反应。睡眠安排也带来新问题：飞船一度离开主要地面测控站覆盖范围，联系依赖短波等手段；重新进入接收区后，地面呼叫没有及时得到回应。后来确认季托夫只是睡过了预定时间，切尔托克回忆自己随即被要求拟订太空闹钟的设计要求。
工作能力与失重不适
较长的失重飞行也带来了身体适应问题。季托夫出现空间定向错觉、恶心和食欲下降，突然转头会加重不适；他试着减慢动作，但摄影和观察又要求移动头部。西迪基的航天史还记述了呕吐，以及任务后段身体状况逐渐改善的过程。这些症状成为一个昼夜任务中需要应对的实际限制。
季托夫1963年发表的论文摘要把症状概括为类似晕船的轻度反应，并强调任务总体完成情况。切尔托克的回忆则说明，飞行后的内部报告比当时公开表述更为坦率。在轨工作能力与身体适应，由此成为后续载人任务需要共同研究的问题。
返回地面与暴露的故障
8月7日，东方二号制动返回。下降舱与仪器舱虽然机械分离，电缆束却仍将两者连接；进入较稠密大气后连接才烧断。季托夫随后弹射出舱，用个人降落伞在萨拉托夫州克拉斯内库特附近着陆。按他本人论文所报，飞行历时25小时18分，绕地十七圈。
回收后的检查使工程人员追查电缆敷设与分离指令之间的问题。与此同时，生理记录、驾驶员报告和拍摄影像提供了持续载人飞行的资料。东方二号完成了超过一天的在轨生活与操作试验，也把后续任务需要处理的失重适应、作息通信和安全分离问题具体呈现出来。