A világ első női űrhajósát többszáz közül választották ki. A követelmények a következők voltak: 30 évesnél fiatalabb, 170 centinél alacsonyabb, 70 kilónál nem több, fitt, gyakorlott ejtőernyős.  Mivel a Vosztok-3 űrhajó teljesen automatizált volt, pilótatudásra nem volt szükség. A jelentkezők közül végül öten kerültek be a hathónapos kiképzésre, melynek végén Valentyinát találtak a legalkalmasabbnak. Az űrhajót 1963. június 16-án indították, 3 napot töltött a világűrben miközben 48-szor kerülte meg a földet. A kiszivárgott pletykák szerint a férfi kollegák ellenezték a nők kiképzését, talán ezért telt el több, mint húsz év a következő női űrhajós útjáig.