Razem z nim szkolenie rozpoczęli Carlos Noriega oraz Saliżan Szaripow. 2002-2003 – w lipcu 2002 Pettit zastąpił w załodze podstawowej Donalda A. Thomasa, którego lekarze odsunęli od dalszych przygotowań. W kosmosie znalazł się w listopadzie 2002 na pokładzie promu Endeavour realizującego misję STS-113. Na Ziemię powrócił w maju 2003 na pokładzie Sojuza TMA-1. W grudniu 2003 rozpoczął treningi w składzie rezerwowej załogi Ekspedycji 11, ale po miesiącu zastąpił go Daniel Tani. 2007 – w listopadzie został wyznaczony przez NASA do kolejnego lotu kosmicznego. Tym razem zastąpił Joan Higginbotham, która krótko po nominacji odeszła z NASA do sektora prywatnego. Jesienią 2008 miał wystartować na pokładzie wahadłowca Endeavour jako specjalista misji STS-126Komunikat NASA o zmianie w składzie załogi STS-126.. 2008 – w dniach 15–30 listopada na pokładzie wahadłowca Endeavour uczestniczył w misji STS-126. 2011 – dekretem Prezydenta Federacji Rosyjskiej Dmitrija Miedwiediewa, № 437 z 12 kwietnia 2011, został odznaczony Medalem „Za zasługi w podboju kosmosu”. 2011-2012 – od grudnia 2011 do lipca 2012 brał udział w locie Sojuz TMA-03M, będąc jednocześnie inżynierem pokładowym Ekspedycji 30 i 31 na ISS.