3 kwietnia 1962 oficjalnie została przyjęta do oddziału kosmonautów. Kilka dni później, w związku nominacją, otrzymała powołanie do wojska. Po przejściu szkolenia podstawowego Ponomariowa w grudniu 1962 roku zdała wszystkie egzaminy i została skierowana do szkolenia w ramach programu Wostok. Od stycznia do maja 1963 przygotowywała się do lotu na statku Wostok 6. Trenowała wspólnie z Walentiną Tierieszkową, Iriną Sołowjową i Żanną Jorkiną. Ostatecznie była drugim dublerem Tierieszkowej. Jesienią 1963 roku wstąpiła na wydział inżynierski Wojskowego Instytutu Lotnictwa im. Żukowskiego. Ukończyła go w 1967.
W maju 1965 została mianowana dowódcą dwuosobowej żeńskiej załogi statku kosmicznego Woschod 5. Razem z nią w miała polecieć Irina Sołowjowa. Misja przewidywana była na 10-15 dni. Podczas lotu jedna z kosmonautek miała dokonać wyjścia na zewnątrz statku. Później planowany czas lotu wydłużono do 15-20 dni. Zamierzenia te nie zostały nigdy zrealizowane, ponieważ po śmierci Siergieja Korolowa program Woschod został przerwany.