Ο Γκαγκάριν παρακολούθησε την τεχνική σχολή του Σαράτωφ, όπου ξεκίνησε τις πρώτες πτήσεις με ελαφρά αεροπλάνα. Στη συνέχεια, εισήχθη στη Σχολή Πιλότων του Ορενμπουργκ, όπου τελείωσε τις σπουδές του με επαίνους το 1957. Επειτα υπηρέτησε στο Βόρειο Στόλο σε αντίξοες καιρικές συνθήκες και κατέληξε να γίνει δοκιμαστής πιλότος σε νέα και πειραματικά αεροσκάφη.
Πριν ακόμη την πτήση στο διάστημα, ο 27χρονος τότε πιλότος πέρασε μία σειρά από δύσκολες δοκιμασίες για να αντέξει τις αντιξοότητες ενός τέτοιου εγχειρήματος. Τελικά, μαζί με τον Γκέρμαν Τίτωφ και τον Γκριγκόρι Νελιούμπφ επιλέχθηκαν για την αποστολή, με τον Γκαγκάριν να αποτελεί την πρώτη επιλογή λόγω της χαμηλής ταξικής καταγωγής του. Ο Τίτωφ (στο πίσω τμήμα της φωτογραφίας) ήταν ο εφεδρικός πιλότος. NASA
Ο Γκέρμαν Τίτωφ πέταξε τελικά στο διάστημα, όντας ο δεύτερος πιλότος μετά τον Γκαγκάριν, τον Αύγουστο του 1961 με το Vostok 2. EPA
Μετά το επιτυχημένο ταξί στο διάστημα, ο Γκαγκάριν έγινε εθνικό αλλά και παγκόσμιο είδωλο, πήρε πολλά μετάλλια και τιμές όπως του Ηρωα της Σοβιετικής Ενωσης.
Ο Ρώσος κοσμοναύτης Γιούρι Γκαγκάριν σε ένα από τα ταξίδια του τον κόσμο συνάντησε στο διεθνές Air Show του Παρισιού το 1965 τους αστροναύτες του Gemini 4 της NASA, Εντουαρτ Γουάιτ και Τζέιμς ΜακΝτίβιτ. NASA
Λόγω της αυξημένης δημοτικότητάς του, το κράτος δεν του επέτρεψε να ξαναταξιδέψει στο διάστημα, αν και εκείνος το επιθυμούσε διακαώς, από τον φόβο μήπως χαθεί ο εθνικός ήρωας. Ιδίως μετά το 1967 του απαγορεύθηκε τυπικά να συμμετάσχει σε διαστημική αποστολή, ιδίως μετά την καταστροφή του Σογιούζ 1. Τότε ο Γκαγκάριν ήταν εφεδερικός πιλότος του Βλαντιμίρ Κομάρωφ στο Σογιούζ 1.
Ετσι, ο Γκαγκάριν περιορίστηκε στις πτήσεις με αεροπλάνα κυρίως MIG. Στις 27 Μαρτίου του 1968, ενώ πετούσε με ένα MIG-15 μαζί με τον εκπαιδευτή του Βλαντιμίρ Σεριόγκιν, σκοτώθηκαν κοντά στο Κιρζάτς, χωρίς να έχουν διευκρινιστεί με σαφήνεια τα αίτια.
Με αφορμή την επέτειο από τα 50 χρόνια του ταξιδιού του Γιούρι Γκαγκάριν στο διάστημα, στις 5 Απριλίου εκτοξεύθηκε από το κοσμοδρόμιο Μπαϊκονούρ (από όπου αναχώρησε και ο Γκαγκάριν στις 12/4/1961 – στο Καζακστάν) το Ρωσικό διαστημόπλοιο Σογιούζ TMA-21 με τριμελές πλήρωμα και προορισμό το Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Το διαστημόπλοιο έφερε ένα πορτραίτο του Γιούρι Γκαγκάριν.