Od 31 października 2000 do 21 marca 2001 wykonywał swój drugi lot kosmiczny, jako dowódca statku Sojuz TM-31 i pilot Międzynarodowej Stacji Kosmicznej programu pierwszej głównej ekspedycji Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Przebywał na stacji od 2 listopada 2000 do 19 marca 2001. Na Ziemię powrócił wahadłowcem Discovery wykonującym misję STS-102. Spędził w kosmosie 140 dni, 23 godziny, 40 minut i 19 sekund.
W czerwcu 2001 został zastępcą I Zarządu Centrum Wyszkolenia Kosmonautów im. Gagarina, od sierpnia 2001 przechodził przysposobienie jako dowódca załogi trzeciej rosyjskiej ekspedycji na Międzynarodową Stację Kosmiczną wraz z Roberto Vittorim i Markiem Shuttleworthem. Od 25 kwietnia do 5 maja 2002 wykonał z nimi swój trzeci kosmiczny lot jako dowódca statku, startując statkiem Sojuz TM-34 i lądując statkiem Sojuz TM-33. Spędził wówczas w kosmosie 9 dni, 21 godzin, 25 minut i 18 sekund.
Łącznie spędził w kosmosie 329 dni, 22 godziny, 47 minut i 22 sekundy.