پس از فارغ‌التحصیلی در هنرستان و در ۱۹۵۵، یوری گاگارین به دانشکده نیروی هوایی اورنبورگ رفت تا پرواز با هواپیماهای نظامی را فراگیرد. مدت کوتاهی پس از پرتاب اسپوتنیک ۱ (اولین ماهواره ساخت بشر)، او در سال ۱۹۵۷ پس از دریافت مدرک خلبانی هواپیمای میگ-۱۵ با امتیازات بالا از آن‌جا فارغ‌التحصیل شد. در همان دانشکده بود که با همسر آینده‌اش «والنتینا گُریاچوا» آشنا شد، و دو سال پس از فارغ‌التحصیلی، یوری و والنتینا در ۱۹۵۷ میلادی باهم پیوند زناشویی بستند.

گاگارین به عنوان خلبان هواپیمای میگ-۱۵ برای مدتی در پایگاه هوایی لوستاری در منطقه مورمانسک در نزدیکی مرز روسیه و نروژ به خدمت مشغول شد، جایی که پرواز در آن، به خاطر آب و هوای سخت منطقه خطرناک محسوب می‌شد.

یوری گاگارین جوان با ۱۵۷ سانتیمتر قد، مرد کوچک‌اندامی بود؛ نکته‌ای که بعدها در انتخاب او به عنوان کیهان‌نورد تأثیر داشت.