Expedição 5Editar
A tripulação da Expedição 5 foi lançada em 5 de junho de 2002, a bordo do STS-111 e atracou na Estação Espacial Internacional em 7 de junho de 2002. Durante sua estadia de seis meses a bordo da Estação Espacial, a Whitson instalou o Sistema Base Móvel, o segmento de treliça S1 e o segmento de treliça P1 utilizando o sistema manipulador remoto da Estação Espacial; realizou um passeio espacial de 4 horas e 25 minutos em um terno espacial Orlan russo para instalar blindagem de micrometeoróides no Módulo de Serviço Zvezda; e ativou e checou o Microgravity Sciences Glovebox, um rack de carga útil de classe de instalações.
Whitson foi nomeada a primeira oficial de ciências da NASA durante a sua estadia, e ela conduziu 21 investigações em ciências da vida humana e ciências da microgravidade, bem como cargas úteis comerciais. A tripulação da Expedição 5 retornou à Terra a bordo da STS-113 em 7 de dezembro de 2002. Completando seu primeiro vôo, Whitson registrou 184 dias, 22 horas e 14 minutos no espaço.
Expedição 16Editar
Sua segunda missão, Expedição 16, lançada a 10 de Outubro de 2007, no Soyuz TMA-11. Junto com seu tripulante da Expedição 16, Yuri Malenchenko, e a participante de vôo espacial Yi So-yeon, ela retornou à Terra no Soyuz TMA-11 no dia 19 de abril de 2008. A reentrada foi notável pela falha do módulo de propulsão da Soyuz em separar-se adequadamente, e a subsequente “reentrada balística” que sujeitou a tripulação a forças cerca de oito vezes superiores às da gravidade da superfície terrestre. Ela passou 191 dias, 19 horas e 8 minutos no espaço nesta missão.
Em 18 de dezembro de 2007, durante o quarto passeio espacial da Expedição 16 para inspecionar a Junta Rotativa Solar Alfa S4 a estibordo (SARJ), a equipe terrestre do Controle de Missão informou à Whitson que ela se tornou a astronauta fêmea com o tempo EVA mais acumulado na história da NASA, bem como o maior número de EVA, com seu quinto EVA. Com três horas e 37 minutos de caminhada no espaço, Whitson superou a astronauta da NASA Sunita Williams com um tempo total nesse ponto de 29 horas e 18 minutos. Ao completar o quinto EVA da Whitson, o 100º em apoio à montagem e manutenção do ISS, o tempo EVA acumulado da Whitson tornou-se de 32 horas, e 36 minutos, o que a colocou no 20º lugar para o tempo total de EVA. Seu sexto espaço-tempo, também durante a Expedição 16, elevou seu tempo acumulado de EVA para 39 horas, 46 minutos, o que a colocou em 23º lugar para o tempo total de EVA a partir de novembro de 2009.
Expedição 50/51/52Editar
Peggy Whitson chegou à Estação Espacial Internacional em 19 de novembro de 2016, na Expedição 50/51, que foi lançada em 17 de novembro de 2016, a partir do cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão. Ela se tornou a comandante da Expedição 51. Com o lançamento da Expedição 50/51 com ela, Whitson, aos 56 anos de idade, tornou-se a mulher mais velha a voar para o espaço. Durante a missão, ela bateu o recorde de tempo acumulado passado no espaço por um astronauta americano, superando o recorde anterior de 534 dias estabelecido por Jeff Williams. No início de Abril de 2017, a sua missão foi prolongada por mais 3 meses na Estação Espacial Internacional. Em 3 de setembro, ela retornou em um lugar anteriormente vago na cápsula Soyuz, acompanhada por Jack Fischer da NASA e Fyodor Yurchikhin de Roscosmos.
Em janeiro de 2017, Whitson realizou seu sétimo EVA. junto com o comandante da Expedition 50, Shane Kimbrough. Durante a EVA, eles instalaram três novas placas adaptadoras e ligaram conectores elétricos preparando o caminho para a substituição das baterias ISS. O EVA durou 6 horas e 32 minutos. A Whitson agora detém o recorde da mais antiga caminhante do espaço feminino, e agora está empatada com o recorde das caminhadas espaciais totais por uma mulher (sete), juntamente com Sunita Williams. Após a conclusão do sétimo EVA, o tempo acumulado de EVA da Whitson tornou-se de 46 horas e 18 minutos, o que a colocou em 13º lugar para o tempo total de EVA.
Em 24 de abril de 2017, a Whitson bateu oficialmente o recorde por mais tempo gasto no espaço por qualquer astronauta da NASA. Como resultado, ela recebeu um telefonema televisionado da Sala Oval do Presidente dos EUA, Donald Trump, da filha do Presidente Ivanka, e da colega astronauta Kathleen Rubins. Quando entrevistada naquele dia ela declarou ‘Na verdade é uma grande honra bater um recorde como este, mas é uma honra para mim voltar a representar todo o pessoal da NASA’.
Em 12 de maio de 2017, Whitson realizou sua nona carreira EVA com Jack Fischer. Após um curto atraso devido ao vazamento do equipamento, eles substituíram uma caixa aviônica na armação de estibordo chamada ExPRESS Logistics Carrier (ELC), uma plataforma de armazenamento. A duração foi de 4 horas e 13 minutos, e foi o 200º EVA a ser realizado no ISS.
Em 23 de maio de 2017, a Whitson realizou seu décimo EVA de carreira com a Fischer. Eles substituíram uma unidade multiplexador-demultiplexador de reserva (MDM) que havia falhado em 20 de maio de 2017. A duração foi de 2 horas e 46 minutos, fazendo com que o tempo EVA acumulado da Whitson fosse superior a 60 horas, colocando-a em terceiro lugar na lista durante a maior parte do tempo EVA.
Em 1 de junho de 2017, Whitson passou o comando da Estação Espacial Internacional para Fyodor Yurchikhin, que foi nomeado comandante da Expedição 52 até que ele, Whitson e Jack Fischer retornaram à Terra a bordo da Soyuz MS-04 em setembro de 2017.
Whitson retornou à Terra em 3 de setembro de 2017, depois que ela acumulou um total de 665 dias no espaço ao longo de sua carreira. Este total foi mais tempo no espaço do que qualquer outra mulher no mundo e qualquer outro americano. Ela está em oitavo lugar na lista do tempo total gasto no espaço. A duração da sua estadia no espaço durante as expedições 50/51/52 foi de 289 dias, 5 horas e 1 minuto. Em junho de 2020, Whitson foi convidada (junto com dois impostores) em um episódio da ABC-TV To Tell the Truth no qual Patti LaBelle a selecionou corretamente como recordista de tempo no astronauta espacial.