Po zdanych egzaminach został skierowany do wojskowego programu kosmicznego. W latach 1966–1969, z grupą innych kosmonautów, szkolił się do lotu na wojskową stację kosmiczną Ałmaz. Uczestniczył również w przygotowaniach do lotu statków kosmicznych Sojuz 4 i Sojuz 5 (1968–1969) oraz do grupowego lotu statków Sojuz 6, 7 i 8. Od listopada 1969 do lipca 1971 trenował w ramach programu Kontakt (próby na orbicie okołoziemskiej węzłów cumowniczych dla załogowych pojazdów księżycowych). Był dowódcą załogi Sojuza. Początkowo jego partnerem był Wiktor Pacajew, później Nikołaj Rukawisznikow a od sierpnia 1970 Walerij Jazdowskij. Loty ostatecznie zostały odwołane a załogi rozformowane. Po zakończeniu programu Kontakt Worobjow powrócił do grupy kosmonautów szkolonych na potrzeby wojskowej stacji kosmicznej Ałmaz (1971–1973). Na początku 1973 uczestniczył w programie Spiral, a później został mianowany dowódcą pierwszej załogi statku kosmicznego Sojuz 13. Miał to być lot autonomiczny. Inżynierem pokładowym misji został Walerij Jazdowskij. W grudniu 1973, na kilka dni przed planowanym startem, załoga Worobjowa została zamieniona przez załogę rezerwową - Piotra Klimuka i Walentina Lebiediewa. Przyczyną była niezgodność psychologiczna Worobjowa i Jazdowskiego. W 1974 został dowódcą pierwszej, podstawowej załogi stacji kosmicznej Salut 4.