Expedición 5Editar
La tripulación de la Expedición 5 despegó el 5 de junio de 2002 a bordo del STS-111 y se acopló a la Estación Espacial Internacional el 7 de junio de 2002. Durante su estancia de seis meses a bordo de la Estación Espacial, Whitson instaló el Sistema de Base Móvil, el segmento de armazón S1 y el segmento de armazón P1 utilizando el sistema de manipuladores remotos de la estación espacial; realizó una caminata espacial de 4 horas y 25 minutos con un traje espacial ruso Orlan para instalar un blindaje contra micrometeoritos en el Módulo de Servicio Zvezda; y activó y comprobó la Microgravity Sciences Glovebox, un estante de carga útil de clase de instalación.
Whitson fue nombrada la primera oficial científica de la NASA durante su estancia, y realizó 21 investigaciones en ciencias de la vida humana y ciencias de la microgravedad, así como cargas útiles comerciales. La tripulación de la Expedición 5 regresó a la Tierra a bordo de la misión STS-113 el 7 de diciembre de 2002. Completando su primer vuelo, Whitson registró 184 días, 22 horas y 14 minutos en el espacio.
Expedición 16Editar
Su segunda misión, la Expedición 16, fue lanzada el 10 de octubre de 2007, en la Soyuz TMA-11. Junto con su tripulante de la Expedición 16, Yuri Malenchenko, y la participante en el vuelo espacial Yi So-yeon, regresó a la Tierra en la Soyuz TMA-11 el 19 de abril de 2008. El reingreso fue notable por el fracaso del módulo de propulsión de la Soyuz para separarse correctamente, y el subsiguiente «reingreso balístico» que sometió a la tripulación a fuerzas unas ocho veces superiores a las de la gravedad de la superficie terrestre. Pasó 191 días, 19 horas y 8 minutos en el espacio en esta misión.
El 18 de diciembre de 2007, durante el cuarto paseo espacial de la Expedición 16 para inspeccionar la Junta Rotatoria Solar Alfa (SARJ) de estribor de la S4, el equipo de tierra en el Control de la Misión informó a Whitson de que se había convertido en la astronauta femenina con más tiempo acumulado de EVA en la historia de la NASA, así como con más EVAs, con su quinta EVA. A las tres horas y 37 minutos del paseo espacial, Whitson superó a la astronauta de la NASA Sunita Williams con un tiempo total en ese momento de 29 horas y 18 minutos. Al finalizar la quinta EVA de Whitson, la número 100 en apoyo del ensamblaje y el mantenimiento de la ISS, el tiempo acumulado de EVA de Whitson pasó a ser de 32 horas y 36 minutos, lo que la situó en el puesto 20 del tiempo total de EVA. Su sexta caminata espacial, también durante la Expedición 16, elevó su tiempo acumulado de EVA a 39 horas y 46 minutos, lo que la situó en el puesto 23 del tiempo total de EVA en noviembre de 2009.
Expedición 50/51/52Editar
Peggy Whitson llegó a la Estación Espacial Internacional el 19 de noviembre de 2016, en la Expedición 50/51, que fue lanzada el 17 de noviembre de 2016, desde el cosmódromo de Baikonur en Kazajistán. Se convirtió en la comandante de la Expedición 51. Con el lanzamiento de la Expedición 50/51 con ella, Whitson, a sus 56 años, se convirtió en la mujer de más edad en volar al espacio. Durante la misión, batió el récord de tiempo acumulado en el espacio por un astronauta estadounidense, superando el anterior récord de 534 días establecido por Jeff Williams. A principios de abril de 2017, su misión se prorrogó 3 meses más en la Estación Espacial Internacional. El 3 de septiembre, regresó en un asiento previamente vacante en la cápsula Soyuz acompañada por Jack Fischer de la NASA y Fyodor Yurchikhin de Roscosmos.
En enero de 2017, Whitson realizó su séptima EVA. junto al comandante de la Expedición 50, Shane Kimbrough. Durante la EVA, instalaron tres nuevas placas adaptadoras y engancharon conectores eléctricos preparando el camino para reemplazar las baterías de la ISS. La EVA duró 6 horas y 32 minutos. Whitson ostenta ahora el récord de mujer más veterana en paseos espaciales, y está ahora empatada con el récord de paseos espaciales totales por una mujer (siete), junto con Sunita Williams. Tras la finalización de la séptima EVA, el tiempo de EVA acumulado de Whitson pasó a ser de 46 horas, 18 minutos, lo que la situó en el puesto 13 de tiempo total de EVA.
El 24 de abril de 2017, Whitson batió oficialmente el récord de mayor tiempo de permanencia en el espacio por parte de cualquier astronauta de la NASA. Como resultado, recibió una llamada telefónica televisada desde el Despacho Oval por parte del presidente de los Estados Unidos, Donald Trump, la hija del presidente, Ivanka, y la compañera astronauta Kathleen Rubins. Al ser entrevistada ese día, declaró: «En realidad es un gran honor batir un récord como este, pero es un honor para mí volver a representar a toda la gente de la NASA».
El 12 de mayo de 2017, Whitson realizó el noveno EVA de su carrera con Jack Fischer. Tras un breve retraso debido a fugas en el equipo, sustituyeron una caja de aviónica en el braguero de estribor llamada ExPRESS Logistics Carrier (ELC), una plataforma de almacenamiento. La duración fue de 4 horas y 13 minutos, y fue la 200ª EVA que se realiza en la ISS.
El 23 de mayo de 2017, Whitson realizó la décima EVA de su carrera con Fischer. Sustituyeron una unidad multiplexora-demultiplexora (MDM) de reserva que había fallado el 20 de mayo de 2017. La duración fue de 2 horas y 46 minutos, lo que hace que el tiempo acumulado de Whitson en el EVA sea de más de 60 horas, colocándola en el tercer lugar de la lista de mayor tiempo de EVA.
El 1 de junio de 2017, Whitson cedió el mando de la Estación Espacial Internacional a Fyodor Yurchikhin, que fue nombrado comandante de la Expedición 52 hasta que él, Whitson y Jack Fischer regresaron a la Tierra a bordo de la Soyuz MS-04 en septiembre de 2017.
Whitson regresó a la Tierra el 3 de septiembre de 2017, tras acumular un total de 665 días en el espacio a lo largo de su carrera. Este total fue más tiempo en el espacio que cualquier otra mujer en todo el mundo y que cualquier otro estadounidense. Ocupa el octavo lugar en la lista de tiempo total de permanencia en el espacio. La duración de su estancia en el espacio durante las expediciones 50/51/52 fue de 289 días, 5 horas y 1 minuto. En junio de 2020, Whitson fue invitada (junto con dos impostores) en un episodio de ABC-TV To Tell the Truth en el que Patti LaBelle la seleccionó correctamente como la astronauta con el récord de tiempo en el espacio.