Na het succes van de eerste twee Russische bemande ruimtevluchten, waarbij de technologie van de Vostok ruimtecapsule en de effecten van gewichtloosheid op het menselijk lichaam werden getest, besloot de Sovjet-Unie nog een stap verder te gaan in zijn bemand ruimtevaartprogramma en zou het voor het eerst in de geschiedenis een dubbelvlucht organiseren. De Vostok 3 en Vostok 4 missies stonden volledig in het teken van dit experiment.
Op 11 en 12 augustus 1962 vertrokken van op het lanceerplatform LC1, vanwaar Joeri Gagarin eveneens gelanceerd werd, twee Vostok raketten met bovenop telkens een bemande Vostok ruimtecapsule. De Sovjet-gevechtspiloot Andrian Nikolajev was de kosmonaut aan boord van de Vostok 3. Deze eerste dubbelvlucht zou pas mogelijk zijn wanneer Nikojalev met zijn Vostok 3 ruimtecapsule boven de Bajkonoer lanceerbasis zou vliegen waarna de Vostok 4 ruimtecapsule, met aan boord kosmonaut Pavel Popovich, eveneens zou gelanceerd worden.
Het slagen van deze dubbelvlucht was van essentieel belang voor de toekomst van het Sovjet ruimtevaartprogramma aangezien het land plannen had om in de toekomst verschillende bemande ruimtetuigen met elkaar te laten koppelen in een baan om de Aarde zodat op deze manier een reis naar de Maan of de bouw van een ruimtestation mogelijk zou worden. Beide missies hadden normaal gezien in mei 1962 moeten plaats vinden maar wegens het exploderen van een raket raakte het lanceercomplex zwaar beschadigd en was dit pas terug operationeel in augustus. Omstreeks 11u30 plaatselijk tijd vertrok vanop de Bajkonoer lanceerbasis op 11 augustus 1962 de Vostok 3 ruimtecapsule waarna een dag later omstreeks 13u02 plaatselijke tijd de Vostok 4 ruimtecapsule gelanceerd werd. Aangezien beide ruimtecapsules enkel maar kleine stuwraketjes aan boord hadden konden deze dus geen grote baanmanoeuvres uitvoeren. Hierdoor was een echt rendez-vous manoeuvre dan ook onmogelijk. Nadat de Vostok 4 ruimtecapsule ook succesvol gelanceerd werd toen de Vostok 3 boven het lanceercomplex vloog, kwam deze tot op 6,5 kilometer van het Vostok 3 ruimtetuig. Toen dit nieuws in Amerika bekend gemaakt werd, kwam dit aan als een schok aangezien de Sovjet-Unie Amerika opnieuw een stap voor was. Het moment waarbij beide Vostok capsules zich het dichtst bij elkaar bevonden, was van korte duur. Algauw werd de afstand tussen beide opnieuw groter waarna beide kosmonauten begonnen aan hun meerdaagse missie. Tijdens hun verblijf in de kleine bolvormige ruimtecapsules kregen de kosmonauten de opdracht metingen te verrichten op vlak van hun gezondheid en maakten ze hun gordels los waardoor ze zich af en toe gedurende een uur vrij konden bewegen in hun krappe ruimtetuigen.
Kosmonaut Nikolajev was de eerste Sovjet ruimtevaarder die tijdens zijn missie te zien was op de nationale televisiezender. Tijdens hun missie slaagden de twee kosmonauten er ook in radiocontact te maken met elkaar. Voor het eerst kregen de twee kosmonauten ook een verrekijker mee waarbij ze het aardoppervlak afspeurden. Verder stonden nog enkele experimenten op het programma op vlak van voedsel, biologie, psychologie en communicatie. De vluchtleiding had met kosmonaut Popovich afgesproken dat hij het codewoord "onweersbui" zou gebruiken indien hij plots ziek zou worden. Toen de man op de derde dag van zijn vlucht onweersbuien meldde boven de Golf van Mexico, dacht de vluchtleiding dat hij ziek was waarop men besliste de Vostok 4 ruimtecapsule vroeger dan gepland terug te halen uit de ruimte. Eenmaal de Vostok 3 ruimtecapsule 64 omwentelingen had gemaakt om de Aarde, bevond de Vostok 4 capsule zich al 2.720 kilometer verder waarna kosmonaut Nikolajev een geslaagde landing maakte op 15 augustus 1962. Nog geen 10 minuten later maakte de Vostok 4 ruimtecapsule eveneens een geslaagde terugkeer in de atmosfeer. Beide kosmonauten werden zoals gepland uit de bolvormige terugkeercapsule geschoten door middel van een schietstoel waarna ze een probleemloze landing maakte met hun parachute ten zuiden van Karaganda in Kazakstan op nog geen 30 kilometer afstand van elkaar. Nikolajev's missie had maar liefst 3 dagen en 22 uur geduurd. Dankzij deze geslaagde eerste dubbelvlucht maakte de Sovjet Unie plannen voor nog langere bemande ruimtevluchten. Tijdens deze 7de en 8ste bemande ruimtevlucht uit de ruimtevaartgeschiedenis werd ook duidelijk dat niet alle ruimtevaarders last zouden hebben van zogenaamde 'ruimteziekte' aangezien Nikolajev en Popovich hier geen symptomen van vertoonden en kosmonaut Nikojalev was de eerste mens in de ruimte die kleurenbeelden maakte van onze planeet met een filmcamera. Vandaag de dag is de Vostok 4 terugkeercapsule te bewonderen in het NPO Zvezda museum in Moskou.
