Kariera astronauty thumb|Paolo Nespoli na pokładzie ISS, obok robota R2 (zdj. z roku 2011). 1989 – podczas naboru do drugiej grupy astronautów Włoskiej Agencji Kosmicznej (ASI - Agenzia Spaziale Italiana) został jednym z 10 finalistów, ale ostatecznie nie znalazł się wśród 4 kandydatów wybranych przez amerykańskich specjalistów. 1990 – wziął udział w 28-dniowym eksperymencie ESA, podczas którego badano m.in. wpływ zamkniętego pomieszczenia na psychikę człowieka (ISEMSI-1990 – Isolation Study for EMSI). Nespoli był dowódcą 8-osobowego zespołu ochotników. 1991 – rozpoczął pracę w Europejskim Centrum Astronautów ESA (ESA’s European Astronaut Center) w Kolonii (Niemcy). Był inżynierem zajmującym się przygotowaniem astronautów. 1995 – został włączony do prac nad programem EUROMIR prowadzonych w Europejskim Centrum Technologii Kosmicznych (ESTEC - European Space Technology Centre) w Noordwijk w Holandii. Kierował zespołem zajmującym się integracją ładunku użytecznego oraz komputerów wykorzystywanych w eksperymentach przygotowanych przez ESA z wyposażeniem rosyjskiej stacji kosmicznej Mir. 1996 – został oddelegowany do ośrodka NASA w Houston (JSC). Pracował w wydziale przygotowań astronautów (Spaceflight Training Division).