Shepherd foi seleccionado para o corpo de astronautas da NASA em 1984. Em 1986 o seu treino de SEAL da marinha provou-se inexperadamente útil para a NASA, quando este participou em missões de resgate do Space Shuttle Challenger após a sua destruição. Sepherd então serviu como um especialista de missões em três vôos de space shuttles: missão STS-27 em 1988, missão STS-41 em 1990 e missão STS-52 em 1992.

Em 1993, Shepherd foi designado para gerência de programa da Estação Espacial Internacional. De 31 de Outubro, 2000, a 21 de Março, 2001, ele e os cosmonautas russos Yuri Gidzenko e Sergey Krikalev serviram como a primeira tripulação na ISS, na Expedição 1.