Das Raumschiff startete vom Kosmodrom Baikonur. Die Landung erfolgte 188 km östlich von Dsheskasgan.

Nach eintägigem Alleinflug koppelte Sojus 11 am 07. Juni 1971 mit der Raumstation Saljut 1. Diesmal musste die Besatzung nicht in den automatischen Ablauf eingreifen. Die Kopplung selbst fand am 07. Juni 1971 um 07:49 UTC außerhalb der Reichweite der Bodenstationen statt, und als die Verbindung wieder aufgenommen werden konnte, hatte die Besatzung die Raumstation bereits betreten. Die Kosmonauten meldeten einen unangenehmen, verbrannten Geruch in der Luft. Da ein kompletter Luftaustausch der Station ca. 20 Stunden benötigte, sollte die Mannschaft die erste Nacht an Bord der Sojus verbringen. Diese Mission wurde der erste Flug zu einer Raumstation in der Geschichte der bemannten Raumfahrt.

Nach der Nachtruhe war die Luft in der Raumstation besser. Die Besatzung zog in die Saljut um und fuhr alle Systeme der Sojus herunter. Damit ging die erste Raumstation der Geschichte in Betrieb, zwei Jahre vor der amerikanischen Skylab. Die Kosmonauten machten eine Kurskorrektur und drehten die Solarzellen in die Sonne, um ein Maximum an elektrischer Energie zu erhalten.

Am 16. Juni 1971 bemerkten die Kosmonauten erneut einen starken, verbrannten Geruch, dessen Ursache sie nicht feststellen konnten. Zeitweise bereiteten sie das Sojus-Raumschiff zum Abkoppeln vor, blieben dann aber an Bord der Saljut. Zehn Stunden nach dem ersten Auftreten des Brandgeruchs war die Luft wieder normal und die Situation stabil. Kommandant Georgi Dobrowolski bat darum, die Mission fortzusetzen. Die Staatskommission entsprach dieser Bitte am nächsten Tag, einem Ruhetag für die Besatzung, ordnete aber an, sämtliche wissenschaftlichen Geräte abzuschalten. Sie sollten nach und nach wieder in Betrieb genommen werden, um die Ursache des Brandgeruchs feststellen zu können. Am Folgetag, dem 18. Juni 1971, waren alle Systeme wieder in Betrieb, es trat aber kein Brandgeruch mehr auf.

Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten auf den Gebieten der Biologie, Astronomie und Erdbeobachtung wurden durchgeführt. Eines der wichtigsten Instrumente, ein großes Sonnenteleskop, konnte nicht eingesetzt werden, weil sich eine Abdeckung an der Außenseite der Raumstation nicht entfernen ließ.

Die Besatzung befand sich im Laufe der Zeit nicht mehr in bester körperlicher und mentaler Verfassung. Aufgrund des Brandgeruch-Zwischenfalls und ungeplanter Reparaturen hatten sie das regelmäßige Training vernachlässigt. Die Gummibänder der Trainingsanzüge, die Schwerkrafteffekte simulieren sollten, waren ausgeleiert. Die Tretmühle, die für Bewegung sorgen sollte, war schon nach einigen Tagen aus dem Verkehr gezogen worden, weil sie die ganze Station in Vibration versetzte, sodass die Solarzellen wackelten und der Treibstoff in den Tanks schwappte. Es kam auch zu Spannungen zwischen Kommandant Georgi Dobrowolski und dem bereits raumflugerfahrenen Wladislaw Wolkow. Die Landung wurde für den 30. Juni 1971 geplant, entweder bei Nacht oder kurz vor Sonnenaufgang. Der spätere Zeitpunkt war günstiger, falls die Besatzung sofort medizinische Betreuung benötigte.
Am 26. Juni 1971 hatten die drei Raumfahrer alle wissenschaftlichen und technischen Experimente abgeschlossen. Die restlichen Tage dienten dem körperlichen Training und der Vorbereitung der Rückkehr. Es war nicht möglich, alle Filme und Experimente in der Sojus-Landekapsel zur Erde zurückzubringen, sodass die Bodenstation eine Auswahl treffen musste.

Die Landung war für den 30. Juni 1971 im Morgengrauen vorgesehen (noch der 29. Juni 1971 nach UTC). Die Besatzung sollte während der Landung Funkkontakt über Kurzwelle und UKW halten und das Öffnen des Fallschirms melden. Die Kosmonauten sollten in der Landekapsel bleiben und die Luke nicht selbst öffnen, sondern das Eintreffen der Bergungsmannschaft und des medizinischen Personals abwarten, was höchstens 20 bis 30 Minuten dauern sollte.
Nach dem Umsteigen in das Rückkehrmodul des Sojus-Raumschiffs zeigte eine Warnleuchte an, dass die Luke zwischen Rückkehr- und Orbitalmodul nicht dicht geschlossen war. Erst nach mehreren Versuchen konnte die Besatzung die Luke verriegeln. Nach dem Abkoppeln wurden noch viele Bilder von Saljut 1 aus unterschiedlichen Entfernungen gemacht, um den Zustand der Raumstation zu dokumentieren.
Etwa zwölf Minuten nach dem Zünden der Bremsrakete für 188 Sekunden wurden Rückkehr-, Orbital- und Servicemodul planmäßig voneinander getrennt. Auf Grund einer fehlerhaften Zündsequenz der Sprengbolzen öffnete sich dabei unerwartet ein Frischluftventil, und die Atemluft entwich aus der Landekapsel. Georgi Dobrowolski, Wladislaw Wolkow und Wiktor Pazajew waren innerhalb kürzester Zeit tot. Die Landung erfolgte automatisch.

Nach dieser Mission war das Tragen von Druckanzügen beim Start, bei Kopplungs-Manövern und bei der Landung vorgeschrieben.

Die Untersuchung ergab, dass etwa zwölf Minuten nach der Bremszündung das Orbitalmodul wie vorgesehen von der Rückkehrkapsel getrennt wurde. Die zwölf Sprengladungen explodierten dabei allerdings nicht wie vorgesehen nacheinander, sondern gleichzeitig. Durch die Erschütterung wurde ein Siegel an einem Druckausgleichsventil verletzt. Dieses Siegel hätte eigentlich erst viel später durch eine andere Sprengladung entfernt werden sollen, damit ab einer Höhe von wenigen Kilometer Frischluft mit Außendruck in die Kabine gelangen konnte. Dadurch, dass das Ventil bereits in 168 km Höhe geöffnet wurde, entwich die Kabinenluft, was innerhalb von 30 Sekunden zur Bewusstlosigkeit führte. Zwei Minuten nach dem Abtrennen des Orbitalmoduls war die Landekapsel praktisch luftleer.

Die medizinischen Daten der Besatzung wurden stetig aufgezeichnet, aber nicht fortwährend zur Erde gesendet. Als das Orbitalmodul abgetrennt wurde, hatte Wladislaw Wolkow mit 120 Schlägen pro Minuten den höchsten Puls der drei Kosmonauten. Wiktor Pazajew hatte 92 bis 106, Georgi Dobrowolski nur 78 bis 85. Der Durchschnittswert bei früheren Flügen lag in dieser Phase bei 120, die Kosmonautin Walentina Tereschkowa hatte 160 Schläge. Einige Sekunden nach dem Abtrennen bemerkte die Mannschaft das Leck. Georgi Dobrowolskis Puls stieg auf 114 und Wladislaw Wolkows sogar auf 180. Kurz darauf verloren die drei das Bewusstsein. 50 Sekunden nach dem Abtrennen fiel Wiktor Pazajews Puls auf 42 Schläge in der Minute, ein typisches Zeichen für Ersticken. 110 Sekunden nach dem Abtrennen hatten alle drei Kosmonauten Herzstillstand.