El primer vol espacial de Kelly va ser com a pilot del transbordador espacial Discovery durant la missió STS-103 el desembre de 1999. Aquesta va ser la tercera missió de manteniment al telescopi espacial Hubble, i va durar poc menys de vuit dies. El segon vol espacial de Kelly va ser com a comandant de missió de STS-118, una missió de transbordador espacial de 12 dies a l'ISS l'agost de 2007. El tercer vol espacial de Kelly va ser com a membre de la tripulació de l'Expedició 25/26 a l'ISS. Va arribar a l'ISS a bord del Soyuz TMA-01M el 9 d'octubre de 2010, i va servir com a enginyer de vol fins que va assumir el comandament de l'estació el 25 de novembre de 2010 al començament de l'Expedició 26.
9 d'octubre de 2010