Em junho de 1998, foi selecionado para o programa espacial da NASA, para a candidatura a que o país tinha direito no programa espacial do governo estadunidense, pelo fato de integrar o esforço multinacional de construção da Estação Espacial Internacional.

Iniciou o treinamento obrigatório em agosto daquele ano no Centro Espacial Lyndon B. Johnson, em Houston. Seu grupo de treinamento número 17 da NASA foi apelidado como “Os Pinguins”. Em dezembro de 2000, ao concluir o curso, foi declarado oficialmente “astronauta da NASA”.

Seu voo inaugural fora originalmente marcado para o ano de 2001, como parte da construção da Estação Espacial Internacional. Mais especificamente, o objetivo da missão seria transportar e instalar o módulo construído no Brasil (conhecido como “Express Pallet”). Devido o atraso das entregas que o Brasil deveria fazer forçaram, no entanto, o adiamento da missão para 2003. Ao se aproximar a data, persistentes problemas financeiros indicavam novo adiamento, mas o acidente que resultou na destruição do ônibus espacial Columbia, em fevereiro de 2003, suspendeu todos os voos da NASA por tempo indeterminado.

Ver artigo principal: Missão Centenário

Astronauta Marcos Pontes (esquerda), da Agência Espacial Brasileira; astronauta Jeffrey Williams, oficial e engenheiro de voo, da NASA; e cosmonauta Pavel Vinogradov, comandante, da Agência Espacial Federal Russa, no Centro Espacial Lyndon B. Johnson.
Em 18 de outubro de 2005, a Agência Espacial Brasileira (AEB) e a Agência Espacial Federal Russa (Roscosmos) assinaram um contrato, no qual a AEB pagou U$10 milhões para Marcos Pontes ser levado pela nave espacial russa Soyuz, que possibilitou a realização da primeira missão espacial tripulada brasileira, batizada como Missão Centenário, em referência à comemoração dos cem anos do voo de Santos Dumont.

A tripulação, composta por Pontes, Jeffrey Williams, astronauta estadunidense e o russo Pavel Vinogradov, comandante da missão, decolou no dia 29 de março de 2006, às 23h30min (horário no Brasil), no Centro de Lançamento de Baikonur, no Cazaquistão. Eles seguiram, na nave Soyuz TMA-8, para a Estação Espacial Internacional, levando 15 quilos de carga da Agência Espacial Brasileira, incluindo oito experimentos científicos criados por universidades e centros de pesquisas brasileiros, que não resultaram em grandes avanços para a ciência brasileira, dentre eles analisar efeitos de radiação em bactérias e plantar um pé de feijão. A missão, realizada com sucesso, teve duração de cerca de 10 dias, sendo dois dias a bordo da Soyuz e oito na ISS.

De acordo com o médico da Aeronáutica Luiz Cláudio Lutiis, que fez o acompanhamento da saúde do astronauta brasileiro, a direção da Agência Espacial Brasileira (AEB) “não ajudou no que deveria e atrapalhou no que podia” na preparação do primeiro voo para o espaço de um astronauta brasileiro”. Lutiis afirmou que sem a ajuda da NASA o astronauta estaria isolado do mundo e que só estavam mantendo um contato decente via Internet com a ajuda da NASA.