أول رحلة فضائية لكيلي كانت كقائد رحلة STS-118، وهي رحلة فضائية لمدة 12 يوم إلى محطة الفضاء الدولية في أغسطس 2007. ثالث رحلة فضائية لكيلي كانت كعضو في طاقم البعثة 25/26 على محطة الفضاء الدولية. وصل إلى محطة الفضاء الدولية على متن سويوز TMA-01M في 9 أكتوبر 2010، وعمل مهندسا طيران حتى تولى قيادة المحطة في 25 نوفمبر 2010 في بداية البعثة 26. انتهت البعثة في 16 مارس 2011 مع مغادرة سويوز TMA-01M. في نوفمبر 2012، اختار كيلي و كوسمونوط روسي كورنيكوفي ميكاييل كوكو لبعثة فضائية لمدة سنة واحدة إلى محطة الفضاء الدولية في أغسطس 2007، بينما خاض كيلي في رحلة فضائية أخرى مع سويوز التوأم سويوز TMA-44، والتي انتهت في 1 مارس 2016، حيث قضى 46 عاما مع سويوز التوأم.
9 أكتوبر 2010