Cette formation spécialisée comprend toutes les activités entourant la préparation à un vol assigné à bord de la navette ou de la Station spatiale internationale. Le programme et l’horaire de formation sont établis en fonction du profil de la mission. Cette formation porte sur les exigences de la mission ainsi que sur la performance du matériel et des systèmes utilisés pour mener des expériences au cours du vol. Les membres d’équipage désignés pour effectuer une sortie dans l’espace (activité extravéhiculaire ou EVA) reçoivent une formation additionnelle sur les tâches liées à ces sorties, comme l’installation du sas sur la station spatiale.



Les astronautes sélectionnés pour faire partie de l’équipage d’une expédition à la station spatiale reçoivent une formation spécialisée pendant environ 12 mois, puis une formation d’une durée approximative de six mois portant spécifiquement sur l’expédition. L’équipage principal et l’équipage de réserve reçoivent principalement leur formation au Centre spatial Johnson, à Houston, et au Centre pour la formation des cosmonautes Youri Gagarine, à Moscou. Les astronautes se rendent également à l'Agence spatiale canadienne, à l'Agence spatiale européenne et à l'Agence japonaise d'exploration spatiale durant de nombreuses semaines afin de parfaire leur formation. Ils travaillent en étroite collaboration avec les contrôleurs de mission et participent à des simulations intégrées consacrées au réglage de précision de chaque système de la station. Lorsqu’un astronaute principal est dans l’incapacité de s’acquitter de ses fonctions, l’astronaute de réserve peut alors le remplacer.
En vue de favoriser la cohésion entre les membres de l’équipage des expéditions, qui devront partager un espace restreint à bord de la station spatiale, les membres de l’équipage d’une expédition (et de l’équipage de réserve) s’entraînent si possible en compagnie de l’équipage de passage qui leur rendra visite à la station.
Comme les membres de l’équipage d’une expédition séjournent à la station spatiale pendant une période pouvant aller jusqu’à six mois, ils prennent également part à des séances de formation obligatoires à bord du complexe orbital. Les CD-ROM, les simulations et les formateurs sur place leur permettent ainsi de maintenir leurs compétences et de faire l’apprentissage de nouvelles tâches lorsque nécessaire. L’entraînement physique est un élément essentiel de la formation dispensée. Il vise à maintenir en bonne forme physique les membres de l’équipage ainsi qu’à réduire la détérioration musculaire et osseuse qui survient en microgravité.