Nato a Klušino (un villaggio nell'Oblast' di Smolensk, nell'allora Unione Sovietica) il 9 marzo 1934, da padre falegname e madre contadina, crebbe in una di quelle collettività aziendali che erano sorte in Russia sul finire della rivoluzione del 1917 e si distinse a scuola per spiccate capacità nelle materie scientifiche. Tuttavia, fu costretto a interrompere gli studi a causa dell'invasione tedesca (iniziata il 22 giugno 1941), per riprenderli dopo la guerra: frequentò l'istituto tecnico industriale di Saratov e conseguì il diploma di metalmeccanico. Fu durante i suoi studi che Gagarin cominciò a interessarsi al volo. Nel 1955 si iscrisse a un aeroclub, dove sperimentò il primo volo della sua vita su uno Yak-18. Questa passione lo portò a iscriversi a una scuola di aeronautica, dove si distinse per il suo talento. Nello stesso anno entrò a far parte dell'aviazione sovietica; si diplomò con grande profitto nel 1957 presso l'Accademia Aeronautica Sovietica di Orenburg. Fu proprio nel 1957 che l'URSS lanciò nello spazio lo Sputnik 1 e si gettarono le basi per i primi voli spaziali con esseri umani a bordo.