start nastąpił z Centrum Kosmicznego im. Johna F. Kennedy’ego na Florydzie. Załoga prowadziła badania naukowe w laboratorium IML-2.
Drugą jego misją była STS-72 od 11 do 20 stycznia 1996 trwająca 8 dni i 22 godziny. Wykonał wówczas dwa spacery kosmiczne trwające łącznie 12 godzin i 57 minut.
Po raz trzeci przebywał w kosmosie od 11 do 24 października 2000 w ramach misji STS-92 trwającej 12 dni, 21 godzin i 42 minuty; celem było dostarczenie segmentu Z1 kratownicy ITS (Integrated Truss Structure). Start nastąpił z Centrum Kosmicznego im. Johna F. Kennedy’ego na Florydzie, a lądowanie w Edwards Air Force Base w Kalifornii. Podczas tej misji Chiao wykonał dwa spacery kosmiczne trwające łącznie 13 godzin i 16 minut.
Ostatnią jego misją była Sojuz TMA-5/Ekspedycja 10 na Międzynarodową Stację Kosmiczną od 14 października 2004 do 24 kwietnia 2005, trwająca 192 dni, 19 godzin i 2 minuty. Był on dowódcą misji, stając się pierwszym Amerykaninem azjatyckiego pochodzenia i jednocześnie pierwszym etnicznym Chińczykiem jako dowódcą. Start nastąpił z kosmodromu Bajkonur.