Beļajevs iekļuva pirmajā PSRS kosmonautu grupā 1960. gadā. 1961. gada 19. augustā izpletņlēkšanas laikā lauza kāju, tāpēc līdz 1962. gada 30. augustam nepiedalījās treniņos.
No 1964. gada augusta līdz 1965. gada februārim gatavojās kā komandieris kosmosa kuģa Voshod-2 pamatapkalpē. Pāvels Beļajevs savu pirmo un vienīgo kosmisko lidojumu 1965. gada martā veica kosmosa kuģī Voshod-2 kopā ar Alekseju Ļeonovu. Ļeonovs kā pirmais cilvēks pasaulē izgāja atklātā kosmosā, bet Beļajevs tajā laikā palika kosmosa kuģī un palīdzēja viņam. Kosmosa kuģim, atgriežoties uz zemes, sabojājās automātiskā orientācijas sistēma, un Voshod-2 nolaižamais aparāts nolaidās tālu no paredzētās vietas — 180 km uz ziemeļiem no Permas. Divas naktis kosmonauti pavadīja piesnigušā taigā, salā, kamēr glābēji ar slēpēm ieradās un iztīrīja vietu helikoptera laukumam.
1966. un 1967. gadā P. Beļajevs gatavojās militārās orbitālās stacijas programmas Almaz ietvaros; bija kosmonautu grupas komandieris. 1967. gada 18. janvārī sāka gatavoties Mēnes aplidojuma programmai ar kosmosa kuģi L-1. 1967. gada 25. martā veselības problēmu dēļ Beļajevs tika atstādināts no kosmonauta sagatavošanas.
Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Pāvels Beļajevs.