Sous l'indicatif « La mouette » (en russe : Ча́йка (Tchaïka)), Valentina Terechkova a effectué 48 orbites autour de la Terre à bord de Vostok 6, en 70 heures et 41 minutes, du 16 juin 1963 à 12 h 30 au 19 juin 1963 à 11 h 11. Cette durée de vol de 2 jours 22 heures et 41 minutes représentait en une seule mission, plus que le total des heures de vol de tous les astronautes américains de l'époque.
Bien que Tereshkova ait souffert de nausées et d'inconfort physique pendant la plus grande partie du vol, elle remplit un journal de bord et prit des photographies de l'horizon, qui seront ensuite utilisées pour identifier des couches d'aérosols dans l'atmosphère.
Vostok 6 était le dernier vol d'un Vostok et avait été lancé seulement 2 jours après Vostok 5 qui transportait Valery Bykovsky en orbite pour 5 jours, atterrissant seulement 3 heures après Terechkova dans Vostok 6. À un moment, les deux vaisseaux étaient à seulement 5 km de distance et un contact radio fut établi entre eux.
Le programme automatique d’orientation du vaisseau connut des défaillances lors du vol. Vostok-6 montait au lieu de descendre, et il avait tendance à s'éloigner de la Terre lors de chaque révolution au lieu de s'en approcher. Les données du système de commande durent être modifiées pour revenir sur une bonne orbite.
Lors de la phase finale de l'atterrissage de Vostok 6, Valentina Terechkova s'éjecta comme prévu, mais elle se retrouva au-dessus d'un lac. Elle réussit toutefois à survoler le lac en parachute et à atterrir sur la terre ferme.