Praca w NASA i kariera astronauty 2004 – został przyjęty do korpusu astronautów NASA () jako kandydat na specjalistę misji-edukatora. Richard Arnold został wybrany do zespołu astronautów w ramach programu „astronauta-edukator” (Educator Astronaut Program). Razem z nim do zespołu trafiło jeszcze dwoje nauczycieli: Dorothy Metcalf-Lindenburger i Joseph Acaba. Ta decyzja NASA miała na celu zainteresowanie młodzieży badaniami przestrzeni kosmicznej. Wkrótce po przyjęciu do NASA Arnold rozpoczął szkolenie specjalistyczne, w ramach którego zapoznał się z budową Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) oraz promu kosmicznego. Odbył również trening przetrwania w warunkach ekstremalnych. 2006 – zakończył szkolenie podstawowe uzyskując uprawnienia specjalisty misji-edukatora (Educator Mission Specialist). Następnie został skierowany do Wydziału Stacji Kosmicznej (Space Station Branch) w Biurze Astronautów NASA. Pracował w zespole ds. integracji sprzętu, gdzie zajmował się rozwiązywaniem problemów technicznych wstępujących na linii NASA – JAXA. 2007 – w sierpniu wziął udział dziesięciodniowej misji podwodnej NEEMO 13 (NASA Extreme Environment Mission Operations) realizowanej u wybrzeży Florydy przez NASA i National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).