Był członkiem wsparcia technicznego dla Japanese Experiment Module (Japoński Moduł Eksperymentalny) Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). W kwietniu 2001 otrzymał przydział do załogi STS-114 jako specjalista misji.

Swój pierwszy lot kosmiczny odbył jako specjalista misji w czasie pierwszego lotu wahadłowca NASA po katastrofie Columbii. Misja STS-114 (nazywana też „Return to Flight” – Powrót do lotu) wystartowała 26 lipca 2005. Podczas blisko 14-dniowej misji trzykrotnie wychodził w otwartą przestrzeń kosmiczną, spędzając tam łącznie 20 godzin i 5 minut.

Od stycznia 2006 w Centrum Wyszkolenia Kosmonautów im. J. Gagarina rozpoczął szkolenie do długotrwałego lotu kosmicznego o czasie trwania od 3 do 6 miesięcy. W 2008 oficjalnie został przydzielony do załogi rezerwowej 18 ekspedycji na ISS. 21 września 2008 w harmonogramie załogowych lotów do 2010 roku opublikowanym przez Roskosmos Noguchi znalazł się również w składzie podstawowej załogi 22 stałej ekspedycji ISS.