Praca w NASA i kariera astronauty 4 czerwca 1998 – został przyjęty do korpusu amerykańskich astronautów () jako kandydat na specjalistę misji. 1999 – zakończył przeszkolenie podstawowe, po którym otrzymał przydział do Biura Astronautów NASA do działu kierowania lotem ISS (Space Station Operations Branch). Później skierowano go do działu zajmującego się robotyzacją (Robotics Branch). Pełnił również funkcję operatora łączności (CapCom). 2005 – 9 lutego został wyznaczony do lotu STS-117 w charakterze specjalisty misji. Termin startu wyznaczono na 2007. 2007 – 8 czerwca na pokładzie wahadłowca Atlantis wystartował w kosmos do blisko dwutygodniowego lotu STS-117. W październiku po raz kolejny został wyznaczony do lotu. Został specjalistą misji STS-119. 2009 – w dniach 15-28 marca wziął udział w blisko 13-dniowej misji STS-119. 2014 – 25 marca poleciał statkiem Sojuz TMA-12M na stację ISS, gdzie wszedł w skład Ekspedycji 39 (jako inżynier pokładowy) i 40 (jako dowódca). Na Ziemię wrócił 11 września w kapsule lądującej Sojuza TMA-12M. W trakcie swoich trzech lotów wykonał pięć spacerów kosmicznych (EVA).