Van 1982 tot 1988 studeerde Kotov aan de Kirov Militaire Medische Academie in Leningrad. Na zijn promotie werkte hij als arts in het kosmonautentrainingscentrum Joeri Gagarin, waar hij in 1996 zelf werd geselecteerd om opgeleid te worden tot kosmonaut.
Op 30 mei 2007 19:05 GMT maakte Kotov zijn eerste ruimtewandeling, vergezeld van Yurchikhin. De ruimtewandeling duurde 5 uur en 25 minuten. Tijdens de wandeling brachten Kotov en Yurchikhin schilden aan op het ISS ter bescherming tegen ruimtegesteente. Op 21 oktober 2007 werd de missie volgens plan beëindigd en keerden de kosmonauten weer terug naar de aarde. Kotov heeft 196 dagen in de ruimte doorgebracht.