Nachdem die Sowjetunion beschlossen hatte, einen Menschen ins All zu schicken, wurde 1960 ein geheimes, landesweites Auswahlverfahren gestartet und Gagarin wurde mit 19 anderen Piloten ausgewählt. Gagarin wurde außerdem für eine Elitetrainingsgruppe ausgewählt, die als die „Sotschi-Sechs“ bekannt war und die die ersten Kosmonauten des Wostok-Programms bilden sollte.
Gagarin und die anderen angehenden Kosmonauten wurden Experimenten unterzogen, die die physische und psychische Ausdauer testen sollten; außerdem wurde er für den bevorstehenden Flug trainiert. Von den 20 Auserwählten wurden schließlich Gagarin und Gherman Titov für den ersten Start ausgewählt, sowohl wegen ihrer Leistungen im Training als auch wegen ihrer körperlichen Eigenschaften – der Platz im kleinen Wostok-Cockpit war knapp bemessen und beide Männer waren eher klein. Gagarin war 1,57 Meter groß.
Im August 1960, als Gagarin einer von 20 möglichen Kandidaten war, beurteilte ein Luftwaffenarzt seine Persönlichkeit wie folgt: „Bescheiden; blamiert sich, wenn sein Humor etwas zu rasant wird; hoher Grad an intellektueller Entwicklung erkennbar; phantastisches Gedächtnis; unterscheidet sich von seinen Kollegen durch seine scharfe und weitreichende Aufmerksamkeit für seine Umgebung; eine gut entwickelte Phantasie; schnelle Reaktionen; ausdauernd; bereitet sich akribisch auf seine Tätigkeiten und Trainingsübungen vor; beherrscht Himmelsmechanik und mathematische Formeln mit Leichtigkeit und zeichnet sich auch in höherer Mathematik aus; fühlt sich nicht genötigt, seinen Standpunkt zu verteidigen, wenn er sich im Recht wähnt; scheint das Leben besser zu verstehen als viele seiner Freunde.“