Первый в мире групповой космический полёт. Одновременно с «Восток-3» в космосе находился космический корабль «Восток-4», который пилотировал космонавт Попович, Павел Романович. В полёте поддерживалась радиосвязь между кораблями и Землёй. На Землю впервые передавались ТВ изображения космонавтов, транслировавшиеся по телевизионной сети СССР и Интервидения. В полёте космонавты освобождались от катапультируемых кресел и свободно плавали в кабине в условиях невесомости; проводились медико-биологические эксперименты.
Установлен новый рекорд продолжительности полёта — 94 часа 22 минуты.