Im Januar 1969 praktizierte die Sowjetunion mit Sojus 4 und Sojus 5 das Dockingmanöver mit Besatzungsaustausch, das ursprünglich bereits im April 1967 mit Sojus 1 und Sojus 2 geplant gewesen war. Nach dem Tod von Kommandant Wladimir Komarow bei der Notlandung von Sojus 1 verzögerte sich das Programm jedoch um mehr als ein Jahr und die Schlüsselelemente des bemannten sowjetischen Raumfahrtprogramms wurden nun bei mehreren Flügen erarbeitet. Zunächst wurde das Docking-​Manöver zweier Sojus Raumschiffe unbemannt im Kosmos Programm praktiziert, das Docking eines bemannten mit einem unbemannten Sojus-​Raumschiff scheiterte im Oktober 1968. Dennoch sollte nun der nächste Schritt folgen. Allerdings hatten sich die Rahmenbedingungen in der sowjetischen Raumfahrt mittlerweile grundlegend geändert. Nach dem Tod von Sergej P. Koroljow hatte sich das Sojus 7 K-​OK technologisch immer weiter vom L3 Programm für die bemannte Mondlandung entfernt. Und so hatten das Docking und die Außenbordmanöver zwar auch generelle Bedeutung für die Mondlandung, die verwendete Technik war jedoch eine vollkommen andere. Das Sojus 7 K-​OK Programm diente Ende der 1960^er Jahre der Erprobung neuer Techniken, eine Perspektive mußte aber noch gefunden werden. Dennoch waren die Erwartungen an das Sojus 4/Sojus 5 Unternehmen hoch. Nach einem Startabbruch wenige Minuten vor dem Starttermin am 13.01.1969 wegen Hydraulik Problemen mit der Sojus 11A511 Trägerrakete (andere Quellen sprechen vom notwendigen Austausch eines Kreiselgeräts) startete Sojus 4 einen Tag später, am 14.01.1969 um 07:30 UTC, sicher mit Kommandant Wladimir Schatalow an Bord. Der Kosmonaut hatte zwar bisher keine Raumfahrterfahrung, war jedoch ausgezeichnet trainiert. Bereits 1966 war er für eine Wostok Mission vorgesehen gewesen und hatte auch im Woschod Programm sowie für Sojus 1 trainiert. Während des fünften Orbits manövrierte Schatalow Sojus 4 in die Ausgangsposition für ein Docking mit Sojus 5. Außerdem wurden Fernsehbilder aus dem Raumschiff gesendet, auf denen klar zwei weitere Sitze zu erkennen waren. Das steigerte in der Öffentlichkeit und unter Experten die Erwartungen. Am nächsten Tag erreichte dann Sojus 5 seine geplante Bahn und näherte sich an Sojus 4 an. Bahnmanöver erfolgten während des fünften und zweiunddreißigsten Orbits. Am 16.01.1969 um 04:37 UTC begann das eigentliche Annäherungsmanöver, das automatisch bis in 100 m Abstand ablief. An diesem Punkt übernahm Sojus 4 Kommandant Schatalow die Handsteuerung seines Raumschiffs und dockte um 08:20 UTC an Sojus 5 an. Damit war das erste Docking zweier bemannter Raumschiffe erreicht. Allerdings war das Rendezvous nicht ganz unproblematisch verlaufen. Ursprünglich war ein Docking bereits während des ersten Orbits von Sojus 5 geplant gewesen. Die Annäherung verlief dann aber wesentlich langsamer. In der letzten Phase irritierten einige Alarmmeldungen Schatalow, der jedoch konzentriert weiter steuerte und so die Mission rettete. Nach Überprüfung der Systeme wurde zunächst eine weitere TV-​Sendung aus den Raumschiffen übertragen und die sowjetische Presse feierte die „weltweit erste experimentelle Raumstation“. Dann begannen die Vorbereitungen für das geplante Außenbordmanöver. Die Orbitalsektionen beider Raumschiffe wurde enthermetisiert und die Sojus 5 Bordingenieure Alexej Jelissejew sowie Jewgeni Chrunow stiegen außenbords von Sojus 5 nach Sojus 4 um. Während des Manövers von 0:37 h Dauer wurden die neuen „Jastreb“ Raumanzüge mit ihrem autonomen Lebenserhaltungssystem getestet und auch Montagearbeiten simuliert. Außerdem brachten die Kosmonauten Zeitungen mit Berichten über den Start von Sojus 4 sowie persönliche Briefe an Schatalow mit. Jelissejew unterlief bei dem Umstieg ein Mißgeschick, als er seine Kamera mit den historischen Fotos von dem Manöver verlor, weswegen nur wenige unscharfe TV-​Bilder von dem Ereignis überliefert sind. Schließlich wurde die Kabinenatmosphäre in den Orbitalsektionen beider Raumschiffe wieder hergestellt. Jelissejew und Chrunow wurden von Schatalow begeistert begrüßt. Wenig später, nach nur 4:34 h gemeinsamen Fluges, löste sich die Verriegelung zwischen den Kopplungsadaptern. Es folgten einige wissenschaftliche Experimente, besonders an Bord von Sojus 5. So Tests mit einem neuen Sextanten zur Navigation, der Einsatz eines Spektrographen zur Erdbeobachtung, astronomische Beobachtungen, funktechnische Sondierungen der Ionosphäre und Messungen zur Tritium und Helium-​3  Konzentration in der Hochatmosphäre. Nach 71:21 h landete schließlich Sojus 4 am 17.01.1969 um 06:51 UTC mit seiner jetzt dreiköpfigen Besatzung in Kasachstan, während Sojus 5 mit dem verbliebenen Kommandanten Boris Wolynow am 18.01.1969 unter dramatischen Umständen folgte.