W tym samym roku mianowano go szefem operatorów łączności w centrum kierowania lotem. 2005 – został włączony do grupy kosmonautów kandydujących do lotów na Międzynarodową Stację Kosmiczną w ramach 15, 16 i 17 ekspedycji. 2006 – na przełomie maja i czerwca Kotow, Fiodor Jurczichin oraz Anousheh Ansari trenowali zachowanie w przypadku awaryjnego lądowania. W czerwcu przedstawiciele NASA i Roskosmosu ostatecznie zatwierdzili skład 15 stałej załogi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Znaleźli się w niej obok Kotowa (pełnić będzie funkcję dowódcy statku kosmicznego Sojuz TMA-10) – Fiodor Jurczichin oraz Clayton C. Anderson. Lot pierwszych dwóch astronautów jest planowany na około 6 miesięcy. Amerykanin ma dotrzeć na ISS na pokładzie wahadłowca Endeavour. 2007 – w dniach 7 kwietnia- 21 października odbył lot w kosmos na pokładzie statku kosmicznego Sojuz TMA-10 i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 2008 – we wrześniu Roskosmos zakomunikował o wyznaczeniu Kotowa dowódcą 22 stałej ekspedycji na ISS, która zarazem będzie stanowić załogę Sojuza TMA-17. 2009-2010 – 21 grudnia 2009 wystartował w kosmos do swojej drugiej misji. Razem z nim w kosmos wyruszyli Timothy Creamer oraz japoński astronauta Sōichi Noguchi.