東京大学大学院修了、博士(学術)。先端学際工学専攻。1991年株式会社IHIへ入社。1996年宇宙飛行士候補に選抜され、2005年スペースシャトル・ディスカバリー「STS-114」に搭乗し、日本人として初めて国際宇宙ステーション(ISS)で船外活動を行う。2009年日本人として初めてソユーズ宇宙船TMA-17に船長補佐として搭乗。2014年国際NGO法人「世界宇宙飛行士会議」会長にアジア人で初めて就任。2016年東京大学先端科学技術研究センター特任助教就任(2021年12月から特任教授)。2019 年サウジアラビア宇宙委員会の諮問委員に就任。2020年米国人以外で初めてSpaceXクルードラゴン宇宙船に搭乗し「世界で初めて3種類の違う帰還（滑走路、地面、海面）を達成した宇宙飛行士」でギネス世界記録に認定された。ISS滞在通算日数335日、船外活動4回は日本人最多(2021年11月現在)。2022年7月IISE理事就任。