W dniach 18–19 marca 1965 roku odbył lot kosmiczny w charakterze dowódcy statku Woschod 2. Podczas tego lotu drugi pilot statku Aleksiej Leonow dokonał po raz pierwszy wyjścia w otwartą przestrzeń kosmiczną. Podczas lądowania Woschoda 2, z powodu awarii systemu orientacji statku na Słońce, Pawieł Bielajew był zmuszony dokonać ręcznej orientacji pojazdu kosmicznego oraz włączenia silnika hamującego. Obie operacje zostały wtedy wykonane po raz pierwszy w historii załogowych lotów kosmicznych. Lot trwał 26 godzin 2 minuty i 17 sekund. Statek lądował w tajdze, w odległości około 180 km na północ od miasta Perm, gdzie kosmonauci spędzili ponad dwie doby, oczekując na mrozie na ekipę ratunkową i odstraszając wilki strzałami z pistoletu.
W następnych latach przygotowywał się do lotów na statkach typu Sojuz.
Zmarł 10 stycznia 1970 roku w Moskwie z powodu krwawienia żołądka.