复飞前的准备
此前一次苏联载人飞行是1967年4月23日至24日的联盟1号；宇航员弗拉基米尔·科马罗夫在返回着陆时遇难。联盟1号事故后，苏联暂停载人飞行，并修改降落伞系统。工程人员先用无人飞船验证：宇宙186号和188号在1967年进行自动对接试验；宇宙212号和213号在1968年再次完成自动会合、对接与返回。
鲍里斯·切尔托克担任飞行控制指挥组副组长，在叶夫帕托里亚参与控制工作。方案让无人目标先入轨，经一天检查再发射载人飞船。远距离接近由Igla无线电系统引导，最后约200米交由宇航员手动对接。为满足上午着陆的安排，末段接近落在轨道阴影中，须借助目标船灯光判断姿态。劳申巴赫安排团队制定借助灯光的手动控制程序，谢尔盖·达列夫斯基受命设计简化模拟器。
发射与未完成的对接
1968年10月25日，无人联盟2号先从拜科努尔升空。26日11时34分，别列戈沃伊乘联盟3号由同一发射场的31号阵地出发。文中钟点为莫斯科时间，日期均为公历。
首圈飞行中，自动系统把两船带到约200米的距离，别列戈沃伊接管操纵。他误判目标船灯光指示的姿态，两船绕纵轴的相对姿态相差约180度，未能对准。再次接近仍未对接，姿态控制推进剂已大量消耗；剩余供应须留给返回，后续对接尝试遂被取消。
参考：[1]
独立飞行与在轨数据
此后，任务仍包含科学、技术、医学和生物学试验。美国国会图书馆科技部门编纂的航天年表记载，10月27日宇航员独立定向，启动发动机改变轨道，并向地面传输舱内电视画面。他也观察星空和地球，拍摄云层、积雪以及白昼和暮光中的地平线。
同期译编报告《通向轨道站之路》依据《真理报》的塔斯社专栏编成，明确标为摘要。它记录10月27日联盟3号的轨道周期为88.6分钟，远地点252公里、近地点179公里。28日第36圈启动发动机后，所列周期为88.8分钟，远地点244公里、近地点199公里，倾角仍为51.7度。这些数据对应不同在轨阶段。
这份摘要还列出27日舱内温度23摄氏度、压力785毫米汞柱，以及宇航员每分钟63次的脉搏和16次的呼吸。它们记录了飞行期间的环境与生理状态，与飞船是否完成对接是不同项目的检验。28日18时30分，宇航员转入休息舱，记录的休息时段持续至29日4时30分。
着陆、任务结束与复盘
无人联盟2号于10月28日返回，联盟3号继续在轨工作至30日。30日10时25分，载人飞船在卡拉干达附近着陆，本次飞行至此结束，结果的整理分析则在地面继续。美国国会图书馆的年表把此次任务记为约94小时51分、64圈。安全返回与近四天的在轨工作，构成了这次复飞实际完成的部分。
切尔托克在回忆录中保存了别列戈沃伊的复盘意见：操纵杆过于灵敏，模拟器没有充分再现实际相对姿态。宇航员主张先适应失重至少12小时，再安排复杂机动。这些意见涉及训练、操纵感觉和任务时序，把对接失利的讨论引向具体的人机配合问题。