كيللي اول طيران فضائي كان كطيار على متن مكوك الفضاء ديسكفري خلال رحلة STS-103 في ديسمبر 1999. وكانت هذه هي ثالث مهمة خدمة لمركز تلسكوب هابل الفضائي ، واستمرت لمدة اقل من ثمانية ايام. ثاني رحلة فضائية كيللي كانت كقائد مهمة STS-118 ، وهي مهمة مكوك فضائي لمدة 12 يوما إلى محطة الفضاء الدولية في أغسطس 2007. ثالث رحلة فضائية كيللي كانت كعضو في طاقم الرحلة 25/26 على محطة الفضاء الدولية. وصل إلى محطة الفضاء الدولية على متن سويوز TMA-01M في 9 أكتوبر 2010 ، وعمل كمهندس طيران حتى تولى قيادة المحطة في 25 نوفمبر 2010 في بداية الرحلة 26. انتهت الرحلة في 16 مارس 2011 مع مغادرة سويوز TMA-01M. في نوفمبر 2012 ، تم اختيار كيلي و كوسمونوط روسي كورنيكوليكو كورييكو لمدة عام على متن مكوك الفضاء
9 تشرين الاول 2010