Después de que la Unión Soviética decidiera lanzar un ser humano al espacio, se inició un proceso de selección secreto a nivel nacional en 1960 y Gagarin fue elegido con otros 19 pilotos. Gagarin fue además seleccionado para un grupo de entrenamiento de élite conocido como los «Seis de Sochi», que conformarían los primeros cosmonautas del programa Vostok.
Gagarin y los otros futuros cosmonautas fueron sometidos a experimentos diseñados para probar la resistencia física y psicológica; también se sometió a un entrenamiento para el próximo vuelo. De los 20 seleccionados, los elegidos finalmente para el primer lanzamiento fueron Gagarin y Gherman Titov, debido a su rendimiento en el entrenamiento, así como a sus características físicas: el espacio era escaso en la pequeña cabina del Vostok y ambos hombres eran más bien bajos. Gagarin medía 1,57 metros.
En agosto de 1960, cuando Gagarin era uno de los 20 posibles candidatos, un médico de la fuerza aérea evaluó su personalidad como: «Modesto; se avergüenza cuando su humor se vuelve demasiado picante; es evidente su alto grado de desarrollo intelectual; fantástica memoria; se distingue de sus colegas por su agudo y amplio sentido de la atención a su entorno; una imaginación bien desarrollada; reacciones rápidas; perseverante, se prepara concienzudamente para sus actividades y ejercicios de entrenamiento, maneja con soltura la mecánica celeste y las fórmulas matemáticas, además de destacar en las matemáticas superiores; no se siente coartado cuando tiene que defender su punto de vista si considera que tiene razón; parece que entiende la vida mejor que muchos de sus amigos.»