Pracował również jako operator łączności (Capsule Communicator) w Centrum Kontroli Lotów. 2007 – w sierpniu odbył blisko 13-dniowy lot na pokładzie wahadłowca Endeavour (misja STS-118). 2008 – został dowódcą planowanej misji STS-129. 2009 – 16 listopada wystartował po raz trzeci w kosmos, dowodząc misją STS-129 wahadłowca Atlantis. 2011 – w sierpniu zrezygnował z pracy w NASA.
Loty kosmiczne 40px|STS-104 STS-104 (Atlantis F-24); 12 lipca 2001 Charles Hobaugh wystartował w kosmos na pokładzie promu Atlantis do misji STS-104. Podczas lotu był pilotem wahadłowca. Razem z nim w kosmos polecieli: Steven Lindsey (dowódca), Michael Gernhardt (specjalista misji MS-1), Janet Kavandi (MS-2) i James Reilly (MS-3). Dwa dni później prom połączył się z Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Podczas trzech spacerów w kosmosie astronauci przyłączyli do ISS śluzę Quest, zamontowali na jej powierzchni 4 zbiorniki tlenu i azotu oraz sprawdzili baterie słoneczne. Misja zakończyła drugi etap budowy ISS. Poza tym podniesiono orbitę stacji w sumie o około 20 km.