Był asystentem technicznym i zajmował się wykorzystaniem wahadłowców oraz planowaniem misji. 4 czerwca 1998 został członkiem korpusu astronautów NASA. Znalazł się w grupie jako specjalista misji i rozpoczął szkolenie, na które składały się m.in.: intensywny instruktaż z zakresu budowy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz wahadłowców, treningi psychologiczne, gruntowne szkolenie w zakresie pilotażu samolotu T-38 oraz nauka przetrwania w ekstremalnych warunkach na wypadek awaryjnego lądowania. Fossum kilkakrotnie starał się, aby zostać astronautą. Udało mu się to dopiero przy piątej próbie w 1998. sierpień 1999 – zakończył podstawowe szkolenie, po którym otrzymał przydział do wydziału zajmującego się utrzymywaniem łączności z załogami przebywającymi w kosmosie (Capcom Branch). grudzień 2002 – został specjalistą lotu w załodze wyznaczonej do misji STS-119. Start do tej wyprawy był przewidywany na styczeń 2004. Po katastrofie wahadłowca Columbia plan lotów został jednak gruntownie zmieniony. listopad 2002 – maj 2003 – w Centrum Kierowania Lotem był głównym operatorem łączności tzw.