Do momentu otrzymania przydziału do grupy astronautów NASA był instruktorem w Air Force Test Pilot School w bazie Edwards w Kalifornii.
Barry Wilmore wylatał w sumie ponad 6800 godzin, 663 razy lądował na pokładach lotniskowców.
Praca w NASA i kariera astronauty 2000 – 26 lipca został przyjęty do 18 grupy astronautów NASA. 2002 – zakończył przeszkolenie podstawowe, uzyskując uprawnienia do pilotowania wahadłowca i został skierowany do Biura Astronautów NASA, gdzie pracował w jednym z wydziałów zajmujących się układem napędowym wahadłowca. Uczestniczył też w pracach zespołów wspierających operacje startu i lądowania promów kosmicznych. 2008 – 30 września został wyznaczony do załogi misji STS-129. Powierzono mu funkcję pilota wahadłowca. 2009 – w listopadzie uczestniczył w blisko 11-dniowej wyprawie kosmicznej na pokładzie promu Atlantis. 2014–2015 – wziął udział w Ekspedycji 41/42 na ISS.