Wraz z nowym zadaniem otrzymała stopień porucznika lotnictwa i przeszła intensywne przeszkolenie na dwumiejscowym MiG-u, jednak nie odbyła ani jednego samodzielnego lotu. 16 lutego 1962 została wybrana jako kandydatka na kosmonautkę i skierowana na szkolenie dla kosmonautów.
16 czerwca 1963 roku rozpoczęła lot na statku Wostok 6, który trwał 2 doby 22 godziny 50 minut i 8 sekund. Lądowanie miało miejsce 19 czerwca 1963 roku po okrążeniu Ziemi 48 razy. Chruszczow po locie zauważył, że lot trwał dłużej niż wszystkie dotychczasowe loty astronautów amerykańskich razem wzięte. Powróciła do Moskwy na czas, żeby przemówić na forum obradującego na Kremlu Międzynarodowego Kongresu Kobiet. Następnie wyruszyła w podróż po świecie, odwiedzając Indie, Pakistan, Stany Zjednoczone oraz Polskę (23 października 1963). Po powrocie z kosmosu została uhonorowana tytułem Bohatera Związku Radzieckiego. Pomimo wcześniejszych planów, kolejna kobieta poleciała w kosmos dopiero 19 lat później (Swietłana Sawicka).
Po locie Tierieszkowa studiowała w Wojskowym Instytucie Lotnictwa im.