Après que l’Union soviétique ait décidé de lancer un être humain dans l’espace, un processus de sélection national secret a été lancé en 1960 et Gagarine a été choisi avec 19 autres pilotes. Gagarine a ensuite été sélectionné pour un groupe d’entraînement d’élite connu sous le nom de « Sochi Six », qui constituerait les premiers cosmonautes du programme Vostok.
Gagarine et les autres cosmonautes potentiels ont été soumis à des expériences conçues pour tester l’endurance physique et psychologique ; il a également subi un entraînement pour le vol à venir. Sur les 20 sélectionnés, les choix éventuels pour le premier lancement furent Gagarine et Gherman Titov, en raison de leurs performances à l’entraînement, ainsi que de leurs caractéristiques physiques – l’espace était compté dans le petit cockpit du Vostok et les deux hommes étaient plutôt petits. Gagarine mesurait 1,57 mètre.
En août 1960, alors que Gagarine faisait partie des 20 candidats possibles, un médecin de l’armée de l’air a évalué sa personnalité comme suit : « Modeste ; embarrasse quand son humour devient un peu trop racé ; haut degré de développement intellectuel évident ; mémoire fantastique ; se distingue de ses collègues par son sens aigu et étendu de l’attention à son environnement ; imagination bien développée ; réactions rapides ; persévérant, se prépare minutieusement à ses activités et exercices d’entraînement, manie la mécanique céleste et les formules mathématiques avec aisance et excelle en mathématiques supérieures ; ne se sent pas gêné lorsqu’il doit défendre son point de vue s’il estime avoir raison ; semble comprendre la vie mieux que beaucoup de ses amis. »