В конце его полёта тормозная двигательная установка (ТДУ) конструктора Исаева проработала успешно, но с недобором импульса, так что автоматика выдала запрет на штатное разделение отсеков. В результате, в течение 10 минут перед входом в атмосферу корабль беспорядочно кувыркался со скоростью 1 оборот в секунду. Гагарин решил не пугать руководителей полёта (в первую очередь — Королёва) и в условном выражении сообщил о нештатной ситуации на борту корабля. Когда корабль вошёл в более плотные слои атмосферы, то соединяющие кабели перегорели, а команда на разделение отсеков поступила уже от термодатчиков, так что спускаемый аппарат наконец отделился от приборно-двигательного отсека. Спуск происходил по баллистической траектории (как и у остальных космических кораблей серий «Восток» и «Восход»), то есть с 8—10-кратными перегрузками, к которым Гагарин был готов.
Сложнее было пережить психологические нагрузки — после входа капсулы в атмосферу загорелась обшивка корабля (температура снаружи при спуске достигает 3—5 тысяч градусов), по стёклам иллюминаторов потекли струйки жидкого металла, а сама кабина начала потрескивать.

На высоте 7 км в соответствии с планом полёта Гагарин катапультировался, после чего капсула и космонавт стали спускаться на парашютах раздельно (по такой же схеме происходила посадка и остальных пяти кораблей из серии «Восток»). После катапультирования и отсоединения воздуховода спускаемого аппарата, в герметичном скафандре Гагарина не сразу открылся клапан, через который должен поступать наружный воздух, так что Гагарин чуть не задохнулся.
Последней проблемой в этом полёте оказалось место посадки — Гагарин мог опуститься на парашюте в ледяную воду Волги. Гагарину помогла хорошая предполётная подготовка — управляя стропами, он увёл парашют от реки и приземлился в 1,5—2 километрах от берега.

Выполнив один оборот вокруг Земли, в 10:55:34 на 108-й минуте корабль завершил полёт.
Из-за сбоя в системе торможения спускаемый аппарат с Гагариным приземлился не в запланированной области в 110 км от Сталинграда, а в Саратовской области, неподалёку от Энгельса в районе села Смеловка. В 10:48 радар близлежащего зенитно-ракетного дивизиона засёк неопознанную цель — это был спускаемый аппарат (зенитчиков за сутки до этого предупредили, чтобы они следили за «контейнерами с неба»). После катапультирования целей на радаре стало две.

Первыми людьми, которые встретили космонавта после полёта, оказались жена местного лесника Анна (Анихайят) Тахтарова и её шестилетняя внучка Рита (Румия). Вскоре к месту событий прибыли военные из дивизиона и местные колхозники. Одна группа военных взяла под охрану спускаемый аппарат, а другая повезла Гагарина в расположение части. Оттуда Гагарин по телефону отрапортовал командиру дивизии ПВО: «Прошу передать главкому ВВС: задачу выполнил, приземлился в заданном районе, чувствую себя хорошо, ушибов и поломок нет. Гагарин».
Возвращение на Землю

Тем временем с аэродрома Энгельс вылетел вертолёт Ми-4, в задачу экипажа которого входило найти и подобрать Гагарина. Экипаж вертолёта Ми-4 первым обнаружилспускаемый аппарат, но Гагарина рядом не было; ситуацию прояснили местные жители, которые сказали, что Гагарин уехал на грузовике в Энгельс. Вертолёт взлетел и взял курс на город. С его борта на дороге неподалеку от КПП ракетного дивизиона заметили автомашину, на которой Гагарин после доклада в части направлялся к спускаемому аппарату. Гагарин вышел из машины и махал руками, его подобрали, и вертолёт полетел на аэродром Энгельс, передав радиограмму: «Космонавт взят на борт, следую на аэродром». На месте посадки Гагарину была вручена его первая награда за полёт в космос — медаль «За освоение целинных земель». Впоследствии такая же медаль вручалась на месте посадки и многим другим космонавтам

Перед полётом правительством СССР заранее было подготовлено три сообщения ТАСС о запуске человека в космос, в том числе одно «Трагическое», если космонавт не вернётся живым:
1 вариант — торжественный, о выходе корабля-спутника с человеком на борту на околоземную орбиту:
После успешного проведения намеченных исследований и выполнения программы полета 12 апреля 1961 года в 10 часов 55 минут московского времени советский космический корабль «Восток» совершил благополучную посадку в заданном районе Советского Союза.
Летчик-космонавт майор Гагарин сообщил: «Прошу доложить партии и правительству, что приземление прошло нормально, чувствую себя хорошо, травм и ушибов не имею».
Осуществление полета человека в космическое пространство открывает грандиозные перспективы покорения космоса человечеством.
— ТАСС, 12 апреля 1961 года.

2 вариант — сообщение о невыходе корабля-спутника на орбиту и его экстренном приземлении, в нём же обращение к народам и правительствам зарубежных стран с просьбой оказать содействие в поиске и спасении космонавта.

3 вариант — сообщение о трагической гибели космонавта.

Проекты всех трёх сообщений были приложены к записке Устинова, Руднева, Калмыкова, Дементьева, Бутомы, Келдыша, Москаленко, Вершинина, Каманина, Ивашутина и Королёва в ЦК КПСС от 30 марта 1961 года. Постановлением Президиума Ц К КПСС от 3 апреля 1961 года «О запуске космического корабля-спутника» тексты сообщений были одобрены.
Все три сообщения были запечатаны в специальные конверты под номерами: 1,2,3 и отправлены на радио, телевидение, и ТАСС. По команде из Кремля вскрывался лишь тот конверт, номер которого укажут из Кремля 12 апреля 1961 года, а оставшиеся конверты подлежали немедленному уничтожению.

Первоначально никто не планировал грандиозной встречи Гагарина в Москве. Всё решил в последний момент Никита Сергеевич Хрущёв. По словам его сына — Сергея Хрущёва:
«Он начал с того, что позвонил министру обороны маршалу Малиновскому и сказал: „Он у вас старший лейтенант. Надо его срочно повысить в звании“. Малиновский сказал, довольно неохотно, что даст Гагарину звание капитана. На что Никита Сергеевич рассердился: „Какого капитана? Вы ему хоть майора дайте“. Малиновский долго не соглашался, но Хрущёв настоял на своём, и в этот же день Гагарин стал майором».

27 марта 1968 года Гагарин погиб в авиационной катастрофе, выполняя тренировочный полёт на самолёте МиГ-15УТИ под руководством опытного инструктора В. С. Серёгина, вблизи деревни Новосёлово Киржачского района Владимирской области.
Исследования группы специалистов под руководством С. М. Белоцерковского показали, что наиболее вероятной причиной резкого манёвра стало сближение и резкое уклонение от другого самолёта, с возможным попаданием в его вихревой след. Вследствие этого, МиГ-15УТИ Гагарина и Серёгина попал в плоский штопор. Находясь в облачном слое, лётчики не могли видеть высоты полёта. Руководствуясь неточными метеорологическими данными и показаниями приборов, лётчики предполагали, что успеют вывести самолёт из падения, но запас высоты оказался недостаточен. После выхода из облачного слоя — катапультироваться было уже поздно. В 2013 году Алексей Леонов сообщил, что в результате рассекречивания документов следственной комиссии эта версия полностью подтвердилась: в зоне полёта Гагарина и Серёгина несанкционированно оказался самолёт Су-15, который на форсаже ушёл на свой эшелон, пройдя на расстоянии 10−15 метров от самолёта Гагарина и тем самым вогнав последний в спираль, выйти из которой лётчики не успели.