Полёт на космическом корабле «Восток-6» Валентина Терешкова начала в 09:29 утра в воскресенье 16 июня 1963 года, полёт продолжался почти трое суток, приземление состоялось в среду, 19 июня в Алтайском крае в 06:28. Всего космический корабль «Восток-6» совершил 49 витков вокруг Земли. 17 июня Терешкова сфотографировала горизонт Земли.

Одновременно с кораблём «Восток-6» на орбите находился космический корабль «Восток-5», пилотируемый космонавтом Валерием Быковским. В день своего полёта в космос Терешкова сказала родным, что уезжает на соревнования парашютистов, о полёте они узнали из новостей по радио.

Участник спасения экипажа парохода «Челюскин» в 1934 году советский лётчик, генерал-полковник авиации Николай Петрович Каманини (1908 -1982), с 1960 года руководил отбором и подготовкой первых советских космонавтов. С января 1961 года Николай Каманин занимал должность начальника отдела по подготовке и обеспечению космических полётов Главного штаба ВВС. В 1966—1971 годах занимал должность помощника Главнокомандующего ВВС по космосу.

8 апреля 1961 года на закрытом заседании Государственной комиссии по пуску космического корабля «Восток», Николай Каманин от имени ВВС предложил первым кандидатом на первый полёт считать Юрия Гагарина, а запасным — Германа Титова. Комиссия согласилась с этим предложением. Генерал-лейтенант Николай Каманин был активным сторонником отправки женщины в космос, добившись космического полёта Валентины Терешковой, так описал старт «Восток-6» с Терешковой:

Подготовка ракеты, корабля и все операции обслуживания прошли исключительно чётко. По чёткости и слаженности работы всех служб и систем старт Терешковой напомнил мне старт Гагарина. Как и 12 апреля 1961 года, 16 июня 1963 года полёт готовился и начался отлично. Все, кто видел Терешкову во время подготовки старта и вывода корабля на орбиту, кто слушал её доклады по радио, единодушно заявили:

«Она провела старт лучше Поповича и Николаева». Да, я очень рад, что не ошибся в выборе первой женщины-космонавта.

Позывной Терешковой на время полёта — «Чайка». Фраза, которую она произнесла перед стартом: «Эй! Небо! Сними шляпу!», представляла собой цитату из поэмы Владимира Маяковского «Облако в штанах».

Лётчик-космонавт Валентина Терешкова выдержала 48 оборотов вокруг Земли и провела почти трое суток в космосе, где вела бортовой журнал и делала фотографии горизонта, которые позже были использованы для обнаружения аэрозольных слоёв в атмосфере.  Генерал-лейтенант Николай Каманин писал:

С Терешковой разговаривал несколько раз. Чувствуется, что она устала, но не хочет признаться в этом. В последнем сеансе связи она не отвечала на вызовы ленинградского ИПа. Мы включили телевизионную камеру и увидели, что она спит. Пришлось её разбудить и поговорить с ней и о предстоящей посадке, и о ручной ориентации. Она дважды пыталась сориентировать корабль и честно призналась, что ориентация по тангажу у неё не получается. Это обстоятельство всех нас очень беспокоит: если придётся садиться вручную, а она не сможет сориентировать корабль, то он не сойдёт с орбиты. На наши сомнения она ответила: «Не беспокойтесь, я всё сделаю утром». Связь она ведёт отлично, соображает хорошо и пока не допустила ни единой ошибки.

Спускаемый аппарат «Востока-6» благополучно приземлился в Баевском районе Алтайского края, рядом приземлилась и Терешкова на собственном парашюте. Сразу после посадки, несмотря на медицинские наставления, Терешкова поела местных продуктов после трёх суток дискомфорта.

Валентина Терешкова — лётчик-космонавт СССР № 6 (позывной — «Чайка»), 10-й космонавт мира; единственная в мире женщина, совершившая космический полёт в одиночку.

Во время полёта на космическом корабле «Востока-6» Валентина Терешкова была на 10 лет младше, самый молодой из первого отряда американских астронавтов Гордон Купер.
Следующий полёт женщины в космос, Светланы Савицкой, состоялся через 19 лет, в августе 1982 года.

После выполнения космического полёта Валентина Терешкова поступила в Военно-воздушную инженерную академию им. Н. Е. Жуковского и, окончив её с отличием.

С 30 апреля 1969 года по 28 апреля 1997 года Терешкова — инструктор-космонавт отряда космонавтов 1-го отдела 1-го управления группы орбитальных кораблей и станций, инструктор-космонавт-испытатель группы орбитальных пилотируемых комплексов общего и специального назначения, 1-й группы отряда космонавтов.

Терешкова осталась в отряде и в 1982 году даже могла быть назначена командиром женского экипажа КК «Союз». 30 апреля 1997 года Терешкова покинула отряд последней из женского набора 1962 года в связи с достижением предельного возраста.

Валентина Терешкова стала кандидатом технических наук, профессором, автором более 50 научных работ. С 1997 года — старший научный сотрудник Центра подготовки космонавтов. Терешкова была готова к полёту на Марс в одну сторону.

7 февраля 2014 года на церемонии открытия зимних Олимпийских игр 2014 в Сочи в числе восьми избранных персон России лётчик-космонавт Валентина Терешкова несла Олимпийский флаг.