W roku 1995 strony amerykańska i izraelska porozumiały się w sprawie wspólnego lotu, trzy lata później Ramon rozpoczął w Houston szkolenie. Nazwisko astronauty ujawniono dopiero w 1998 r. W 1998 pułkownik Ramon został wybrany na specjalistę ładunku towarowego do misji promu kosmicznego Columbia. Miała to być interdyscyplinarna misja, w czasie której miano przeprowadzić badania w mikrograwitacji, a także rejestracji obrazu wideo przy użyciu specjalnej multispektralnej kamery w celu badania pyłu atmosferycznego.
W lipcu 1998 Ramon rozpoczął szkolenie w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona w Houston w stanie Teksas. Szkolenie w NASA trwało do 2003.
Lot kosmiczny
16 stycznia 2003 Ilan Ramon został pierwszym Izraelczykiem, który poleciał w kosmos. O godz. 16.39 czasu polskiego (14:39 UTC) wystartował na pokładzie promu kosmicznego Columbia. Załoga liczyła siedem osób, w tym 5 Amerykanów, 1 Hinduska i 1 Izraelczyk. Lot misji STS-107 trwał 15 dni, 22 godziny i 20 minut. Podczas lotu załoga pracowała na dwie zmiany, pracując 24 godziny na dobę. Przeprowadzono z powodzeniem około 80 eksperymentów naukowych.