列昂诺夫，1934年5月30日出生于克麦罗沃州。他儿时深受齐奥尔科夫斯基的影响，说齐氏的科幻名著《地球之外》是他后来步人太空的引路者。1957年，列昂诺夫从丘古耶夫航校毕业后，进入航空兵部队当飞行员。1960年他和加加林等人一起被选人第一批航天员队伍。
1964年，航天总设计师科罗廖夫提出航天员到舱外空间活动的实验计划，列昂诺夫被选为第一个进行太空行走的人。科罗廖夫对列昂诺夫说；“这是人类历史上第一次步人太空，没有经验，没有资料，全靠你自己去掌握了。”1965年3月18日莫斯科时间10时，苏联发射“上升”2号飞船，列昂诺夫随指令长巴维尔·别列亚耶夫升空，进入远地点497千米、近地点173千米的轨道上飞行，并开始准备太空行走。
列昂诺夫在别列亚耶夫的帮助下，穿上约90千克的航天服，将“生命支持系统”背包放在增压航天服外，开始吸纯氧，然后系上一根575米包络电话线的绳子，准备工作花了1个多小时。当飞船飞到第2圈时，在确保座舱密封完好的情况下，列昂诺夫打开座舱向内开的舱盖，进入密封过渡舱。别列亚耶夫向他说：“祝你走运！”列昂诺夫在过渡舱内为自己的航天服增压，检查了航天服的密封性，戴正头盔。别列亚耶夫关上座舱盖，并给过渡舱减压。11时34分，列昂诺夫打开外舱盖，在舱口定了定神，便像酒瓶木塞一样弹射出去，一跃进入茫茫太空。他眼前呈现出了一幅壮丽景象：漆黑的太空中布满明亮的星星，但并不闪烁；太阳和星星同时在天空照耀，甚至能看出太阳周围的日冕；再往下看是人类美好的家园，湛蓝的海洋、墨绿的森林、弯曲的河流、覆盖白雪的高山、棕色的陆地、飘浮的云……他在自己作的一幅《步人太空》的画中描绘了这些情景。列昂诺夫被飞船上伸出的那根粗粗的缆绳牵着，在失重状态下就像是在海洋中游泳一般。人步入太空后遇到的最大困难是温差太大，向阳一面高达130多摄氏度，背阳一面则低达零下130多摄氏度，因此他不停地旋转身体，以保持温度的平衡。他尽力尝试做点事情，如摘下可移动的摄像机拍照，搬动几件舱外物体等。列昂诺夫在舱外活动24分钟，其中自由漂浮12分钟，多次离开飞船的距离达5米，表明航天员完全可以在敞开的太空中生存。
当别列亚耶夫通知列昂诺夫结束太空行走返回座舱时，出了一点意想不到的麻烦。列昂诺夫先是怎么也不能把摄像机放进过渡舱，他取回挂在舱外的摄像机，硬把它推进过渡舱，用双脚踩住，才制服了容易飘走的摄像机；后来，进入座舱的身体又被卡在舱门口，由于真空中没有大气压，航天服像气球一样膨胀起来，列昂诺夫体力消耗很大，身上汗流浃背，心跳得怦怦直响，对航天服进行3次减压后，花了12分钟才把身体蜷缩起来挤进了舱门，排除了险情。
第二天凌晨3时，当飞船飞到第16圈末段时，开始按计划返航。突然舱内增压气瓶的大气压下降，氧气含量逐渐升高，如果遇到一点火星就会引起爆炸。幸运的是，没有一台电机冒出火星，氧气含量也慢慢降到正常值。接着，飞船又出现翻滚现象，自动控制系统发生故障，飞船无法定向，不能按原计划返回。地面控制中心命令飞船再继续飞行一圈，若故障不能排除，就只好靠手动定向系统返航。指令长不得已改用手动定向系统，使飞船停止旋转，恢复平稳飞行，并调整到正确的轨道位置进入大气层。列昂诺夫透过舷窗，看到舱外涂层被高温熔化闪出的亮光。3月19日12时02分，飞船返回舱降落在乌拉尔山东北的原始森林一片积雪之中，由于手控操纵不甚精确，着陆地点偏离预定地点1300千米。他们只得在冰天雪地里燃起篝火度过了难熬的一夜，又冻又饿，但未发生意外危险，3月20日才被救援直升机找到。列昂诺夫因这次太空历险飞行而被授予苏联英雄称号，并永远载人航天史册。
10年之后，列昂诺夫还参加过一次被称为“太空握手”的美、苏两艘飞船的联袂飞行。1975年7月15日格林威治时间12时20分，苏联的“联盟”19号飞船升空，载有2名航天员瓦列里·库巴索夫和列昂诺夫。7个牛小时后，美国“阿波罗”18号飞船载3名航天员托马斯·斯塔福德、唐纳德·斯莱顿和万斯·布莱德发射上天，经过51小时49分钟的飞行，“联盟”19号和“阿波罗”18号两艘飞船在轨道上慢慢靠拢，最后成功地对接在一起。当对接舱的舱门打开后。列昂诺夫首先和“阿波罗”18号的指令长热烈握手，并用英语对斯坦福德说：“很高兴见到你。”全世界的电视观众兴奋地看到了这一具有历史意义的场景。在历时10小时的太空互访过程中，美、苏两国航天员在一起进行科学实验，一起回答地面新闻记者提出的问题。经过6天的联合飞行，“联盟”19号与“阿波罗”18号分离。7月21日，“联盟”19号首先脱离轨道飞向地球，在哈萨克斯坦地区着陆。这是一次具有里程碑意义的太空飞行。
列昂诺夫为此被授予宇宙金质奖章，月球背面一座环形山以他的名字命名。他后来担任了加加林航天员培训中心的副主任，见证了20世纪俄罗斯载人航天的全部进程。
