W tym czasie podjął obowiązki w Biurze Astronautów NASA. 2001 − sierpień, w Centrum Wyszkolenia Kosmonautów im. J. Gagarina przeszedł szkolenie przygotowujące do roli inżyniera pokładowego na statkach Sojuz (w związku z planowaną na rok 2002 wyprawą na ISS). 2002 − 5 maja na pokładzie statku Sojuz TM-34 rozpoczął swoją pierwszą misję kosmiczną. 2004 − przeszedł następne szkolenie w Centrum Wyszkolenia Kosmonautów (związane z planowaną na rok 2005 kolejną misją do ISS). 2005 − 15 kwietnia na pokładzie statku Sojuz TMA-6 rozpoczął drugi lot kosmiczny, w którym pełnił rolę inżyniera pokładowego, biorąc aktywny udział w pilotowaniu statku. 2008 − został przeniesiony do JSC w celu kontynuowania szkolenia do przyszłych misji programu STS. 2009 − 11 sierpnia wyznaczony został do lotu STS-134 jako specjalista misji. 2011 − 16 maja rozpoczął swój trzeci lot kosmiczny w misji STS-134.
Stowarzyszenie Uczestników Lotów Kosmicznych () przyznało mu Universal Astronaut Insignia za lot orbitalny (nr 415).