Der Start erfolgte vom Kosmodrom Baikonur. Wostok 6 landete 620 km nordöstlich von Karaganda oder 200 km westlich von Barnaul. Es war der erste Raumflug einer Frau.

Die Idee, weibliche Kosmonauten auszubilden, entstand bereits 1961, kurz nach dem historischen Flug von Juri Gagarin. Das Projekt war aber innerhalb der sowjetischen Raumfahrtbehörden und im Militär umstritten. Da es nur wenige weibliche Piloten in der UdSSR gab, wurde die Suche auf Fallschirmspringerinnen ausgedehnt.

Nach dem Doppelflug von Wostok 3 und Wostok 4 im August 1962 war nicht klar, wie viele weitere Wostok-Flüge noch stattfinden würden, und wie viele davon mit weiblichen Kosmonauten bemannt würden. Im Frühling 1963 kristallisierte sich dann heraus, dass keine neuen Wostok-Raumschiffe hergestellt würden. Die zwei verbleibenden einsitzigen Raumschiffe würden für einen Doppelflug mit einem Mann und einer Frau verwendet werden. Am 04. Juni 1963 wurde Walentina Tereschkowa als Besatzung für Wostok 6 bestätigt. Walentina Ponomarjowa und Irina Solowjowa wurden Reserve.

Die Ziele dieser Mission waren die Überprüfung der Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Männer bzw. Frauen, medizinisch-biologische Forschungen und weitere Überprüfungen der Raumschiffe unter den Bedingungen eines Gruppenfluges. So erfolgte ein zeitweiliger Gruppenflug mit der zwei Tage zuvor gestarteten Wostok 5, wobei die dichteste Annäherung während der ersten Erdumkreisung etwa 4,5 km betrug. Während dieser Zeit bestand direkter Funkkontakt zwischen den beiden Raumschiffen. Später mussten Relaisstationen auf der Erde vermitteln.

Die Wostok-Raumschiffe verfügten nur über Lageregelungsmöglichkeiten und konnten ihre Umlaufbahn nicht selbst beeinflussen. Das Rendezvous der beiden Raumschiffe erfolgte deshalb nicht aufgrund aktiver Steuerung, sondern aufgrund präziser Berechnungen vor dem Start.

Während des Raumfluges litt Walentina Tereschkowa stark an der Weltraumkrankheit. Walentina Tereschkowa berichtete nach der Landung, dass sie den Raumanzug in den ersten 24 Stunden fast nicht wahrgenommen habe. Am zweiten Flugtag habe sie Schmerzen im rechten Schienbein gehabt, die aber wieder abgeklungen seien. Der Druckhelm habe auf ihre Schulter gedrückt. Unter einem Sensor auf dem Kopf habe sie Juckreiz und Schmerzen gespürt.
Bemängelt wurde von der Bodenstation, dass sie während diverser Funkkontakte keine Antworten gab. Es ist bis heute nicht geklärt, ob das ein Fehler im Equipment war, oder ob sie vor Angst förmlich paralysiert war und deshalb keine Antwort geben konnte. Ursprünglich war vorgesehen, dass sie das Raumschiff teilweise selbst steuern sollte, angesichts des Verlaufs der Mission wurde ihr das dann allerdings zunächst verboten. Ein Versuch, die manuelle Steuerung zu erproben, um das Raumschiff für die Landung in die richtige Orientierung zu bringen, gelang ihr zunächst nicht. Letztlich aß sie zu wenig, weil ihr das Brot an Bord erheblich zu trocken war.

Andererseits konnte sie Bilder von Städten, Wälder und Flüsse fotografieren. Sternenbeobachtungen gehörten ebenfalls zu den erfolgreich absolvierten Forschungen wie auch das Schreiben an Bord und zwei photometrische Überprüfungen. Nach anderen Berichten sei es ihr aber nicht gelungen, Aufzeichnungen in das Bordjournal zu machen. Sie selbst begründete dies damit, dass beide Bleistifte kaputt gegangen seien. Das biologische Experiment blieb indessen unausgeführt, weil sie nicht an die entsprechende Vorrichtung herankam.

Während der Landung gab es ebenfalls diverse Probleme. Ein Versuch, die manuelle Steuerung zu erproben, um das Raumschiff für die Landung in die richtige Orientierung zu bringen, gelang ihr zunächst nicht. Erst nach der Mission stellte es sich heraus, dass sie die Instrumente mit voller Ausrüstung gar nicht erreichen konnte. Erst nachdem sie die Gurte gelöst hatte, gelang ihr, für 15 Minuten eine manuelle Orientierung. Wie alle Wostok-Kosmonauten landete Walentina Tereschkowa getrennt von ihrem Raumschiff am Fallschirm. Sie landete auf dem Rücken und ihr Gesicht prallte stark gegen den Raumhelm. Selbst die Bergungsmannschaften blieben von Schwierigkeiten nicht verschont. Beide Raumschiffe landeten 2 Grad weiter nördlich als geplant. Es dauerte drei Stunden bis die Suchmannschaften Walentina Tereschkowa fanden. Es wird im Nachhinein vermutet, dass dies durch die doppelte Signalgebung für beide Raumschiffe bei der Rückkehr zustande gekommen sein könnte, was man im Vorfeld so nicht überprüfen konnte.