W 1995 został wybrany przez NASA na zapasowego specjalistę ładunku do misji STS-78, służył jako łącznik koordynator na Ziemi podczas tej misji w czerwcu i lipcu 1996.
Od 29 października do 7 listopada 1998 jako specjalista misji brał udział w misji naukowej STS-95 trwającej 8 dni, 21 godzin i 44 minuty, stając się pierwszym Hiszpanem, który odbył lot kosmiczny. Umieszczono wówczas na orbicie, a po dwóch dniach przechwycono satelitę Spartan 201, który prowadził badania korony słonecznej. Od 18 do 28 października 2003 jako inżynier pokładowy uczestniczył w misji Sojuz TMA-3/Sojuz TMA-2 na Międzynarodową Stację Kosmiczną, trwającej 9 dni, 21 godzin i 2 minuty. Łącznie spędził w kosmosie 18 dni, 18 godzin i 46 minut.
Pracował następnie na macierzystej uczelni na dyrektorskim stanowisku w ETSI Aeronáuticos. Został później dyrektorem zarządzającym i następnie prezesem hiszpańskiego przedsiębiorstwa Deimos Imaging. W 2011 powrócił do pracy w Europejskiej Agencji Kosmicznej.
6 czerwca 2018 ogłoszono jego nominację na ministra nauki, innowacji i szkolnictwa wyższego w rządzie Pedra Sáncheza. Stanowisko to objął następnego dnia.