Jurij Alekszejevics Gagarin parasztcsalád harmadik gyermekeként jött a világra. Apja bútorasztalosként, anyja fejőnőként dolgozott a helyi termelőszövetkezetben. Kisfiúként vészelte át a második világháború alatti és utáni nehéz éveket; a német megszállás idején, 1941 novemberétől sárkunyhóban kellett lakniuk, mert a házukba egy német tisztet szállásoltak el. Sokat éheztek, idősebb testvéreit kényszermunkára hurcolták Lengyelországba. A háború után a család Szmolenszkbe költözött, ahol Jura folytatta középiskolai tanulmányait. 1951-től öntőmunkásnak tanult, majd a szaratovi műszaki főiskolára iratkozott be, ott szeretett bele a repülésbe. Csatlakozott a munkásfiatalok repülőklubjához, majd felvételizett az orenburgi repülőiskolába, ahol 1957-ben első osztályú minősítéssel avatták pilótává. Abban az évben megnősült, Valentyina Gorjacsevával kötött házasságából két lánya született. Jelena kétéves, Galina egy hónapos volt, amikor apjuk – a világon elsőként – az űrben járt. (Később annyit kellett erről beszélnie az érdeklődő embereknek, hogy gyerekeinek szívesebben mesélt gyerekkoráról, a háborús évekről.)
A hidegháborús űrversenyben a Szovjetunió az Egyesült Államoknál előbb akart embert juttatni az űrbe. A nyilvánosságra került, korábban titkosított iratok szerint a Vosztok űrkutatási program felelőseire óriási politikai nyomás nehezedett, a feszített iram, a Vosztok–1 hiányos tesztelése miatt rendkívül kockázatos volt az első ember űrrepülése.
Gagarin 1959-ben jelentkezett a programra, háromezer vadászpilóta közül válogatták be a húszfős csoportba, amelynek tagjait a Moszkva mellett újonnan épült Csillagvárosban (amely ma az ő nevét viseli) az űrhöz hasonló fizikai körülmények között készítették fel a „történelmi feladatra”. A kemény gyakorlatok során nyújtott teljesítményük és testi-lelki adottságaik miatt Gagarint és German Sztyepanovics Tyitovot választották ki. Valószínűleg pillanatnyi kondíciója miatt lett az első számú jelölt Gagarin, Tyitov pedig a tartalék, de állítólag szempont volt az is, hogy a kiválasztott nagyszülei is oroszok, szülei munkások vagy parasztok legyenek.
1961. április 12-én Gagarin a Vosztok–1 típusú egyszemélyes űrhajóval közép-európai idő szerint 7 óra 7 perckor startolt Bajkonurból, útja 108 percig tartott, ez idő alatt egyszer kerülte meg a Földet. Az űrrepülés során a súlytalanság állapotát jól viselte, ceruzával jegyzetelt a fedélzeti naplóba, benyomásait magnetofonra mondta, időnként rádiókapcsolatot is sikerült létesíteni vele. Amikor az űrhajó Föld körüli pályára állt, a TASZSZ nyilvánosságra hozta a világraszóló eseményt. Ma már tudjuk, hogy a Vosztok–1 a tervezettnél magasabb pályán keringett, a Földre való visszatérése is sokban a szerencsének tudható be, mert a fékezőrakéta nem működött megfelelően, a leszálló- és műszaki egység nem vált szét időben, illetve a légkört elérve tüzes golyóként száguldva fékeződött le. Eközben Gagarin testére óriási nyomás nehezedett, amit csodával határos módon mégis túlélt. Sikerült időben katapultálnia, ejtőernyőjével a Volgához közeli Szmelovka falu mellett, egy szántóföldön ért földet, majd két nappal később ünneplő tömeg fogadta a moszkvai Vörös téren.
Történelmi űrutazása a szocializmus kapitalizmus felett aratott győzelmének jelképévé vált, Gagarin a Szovjetunió legnépszerűbb embere lett, ezredessé léptették elő, megkapta a Szovjetunió Hőse címet és a Lenin-rendet. Beutazta az egész világot, 1961-ben Magyarországon is járt. Mindenhol a legfelsőbb állami vezetők fogadták, kitüntetéseket kapott, minden „veszélyes” tevékenységtől (még az autóvezetéstől) is eltiltották, és egyedül sehová sem mehetett. 1962-ben a Szovjetunió Legfelsőbb Tanácsának tagjává választották. A hirtelen rászakadó hírnevet nehezen viselte, házassága megromlott, alkoholproblémái voltak. Később a szovjet űrhajósok egységének parancsnoka, majd a róla elnevezett kiképzőközpont parancsnokhelyettese lett.
1968 februárjában repülőmérnöki diplomát szerzett, és ismét repülhetett vadászgépen. Március 27-én rossz időjárási viszonyok közepette szállt fel először egy tapasztalt pilóta, Vlagyimir Szerjogin társaságában. A MiG–15-ös vadászgéppel végrehajtott gyakorlórepülés közben azonban gépük lezuhant – a roncsokat a vlagyimiri terület egyik faluja, Novoszelovo határában találták meg. Halálával kapcsolatban a legkülönfélébb pletykák keltek szárnyra, a hivatalos jelentés szerint a gép egy másik repülőgép okozta turbulencia miatt dugóhúzóba került, s bár ebből sikerült kijutnia, a becsapódást már nem lehetett elkerülni. A baleset helyszínén 1975-ben emlékművet emeltek, és ott található a lezuhant vadászgép pontos mása is.
Gagarin hamvai a Kreml falánál nyugszanak. A világűrben tett utazása új korszakot nyitott az emberiség történelmében, nevét a Hold túlsó oldalán lévő kráter is őrzi, sok egyéb mellett ásványt, kisbolygót is neveztek el róla. Emlékére április 12. az űrhajózás napja, 2011 óta pedig az emberes űrrepülés nemzetközi napja az ENSZ döntése nyomán. 2013-ban mutatták be Pavel Parkhomenko orosz rendező filmjét, amelyből közelebbről is megismerhető a világ első űrhajósa. 2017-ben az orosz ortodox egyház felszentelte a repülőgép-balesetének közelébe tervezett Szent György-kápolna helyét. 2021 áprilisában a Nemzetközi Űrállomáshoz (ISS) csatlakozó Szojuz űrhajót róla nevezték el az űrrepülés kezdetének hatvanadik évfordulója alkalmából.
