O primeiro voo espacial de Kelly foi como piloto do Transbordador Espacial Discovery durante a misión STS-103 en decembro de 1999. Esta foi a terceira misión de servizo ao Telescopio Espacial Hubble, e durou pouco menos de oito días. O segundo voo espacial de Kelly foi como comandante da misión STS-118, unha misión de 12 días do Transbordador Espacial á Estación Espacial Internacional en agosto de 2007. O terceiro voo espacial de Kelly foi como membro da tripulación da Expedición 25/26 na Estación Espacial Internacional. Chegou á Estación Espacial Internacional a bordo do Soyuz TMA-01M o 9 de outubro de 2010, e serviu como enxeñeiro de voo ata que tomou o mando da estación o 25 de novembro de 2010 ao comezo da Expedición 26. A Expedición terminou o 16 de marzo de 2011 coa saída do Soyuz TMA-01M.
9 de outubro de 2010