W lutym 2009 został wybrany na kandydata na astronautę. W kwietniu tego samego roku wstąpił do agencji JAXA oraz rozpoczął około dwuletnie szkolenie astronautyczne w NASA. W lipcu 2011 został certyfikowanym astronautą Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
W październiku 2012 otrzymał przydział do Ekspedycji 44/45 na ISS[2]. W kosmos wystartował 22 lipca 2015 na pokładzie statku Sojuz TMA-17M. Na Ziemię powrócił 11 grudnia 2015 tym samym statkiem. Lot trwał 141 dni 16 godzin i 9 minut[1].
W listopadzie 2016 został szefem grupy astronautów JAXA.