Wostok 3 startete am 11. August 1962 um 11:30 Uhr Moskauer Zeit vom Raketenstartplatz Baikonur mit Andrijan Nikolajew und erreichte nach wenigen Minuten die Erdumlaufbahn. Nach knapp 24 Stunden folgte Wostok 4 mit Pawel Popowitsch an Bord. Das war das erste Mal, dass sich zwei Raumfahrer gleichzeitig im All aufhielten. Die Bahnen waren sorgfältig berechnet worden, so dass sich die beiden Raumschiffe bis auf 6 km näherten. Wostok 3 absolvierte 64 Erdumkreisungen. Die Landung erfolgte am 15. August 1962 um 09:52 Uhr Moskauer Zeit im Norden Kirgisistans. Wie bei den Wostokflügen üblich benutzte Nikolajew den Schleudersitz und landete am eigenen Fallschirm. Wostok 4 landete zur selben Zeit etwa 290 km entfernt.
In der DDR ist zum ersten "Gruppenflug im Kosmos" dieser Block (MiNr 17) mit einer Marke (MiNr 917) erschienen. Die Marke zeigt die beiden Kosmonauten Pawel Romanowitsch Popowitsch (1930-2009) und Andrijan Grigorjewitsch Nikolajew (1929-2004) und die Flugbahnen der Raumschiffe.