È stato selezionato dalla NASA come astronauta nel marzo del 1992 e ad agosto ha iniziato la preparazione al termine della quale è stato qualificato come specialista di missione. Ha già volato quattro volte con lo Shuttle nelle missioni STS-66 (del 1994), STS-86 (del 1997), STS-95 (del 1998) ed STS-100 (del 2001 alla quale ha partecipato anche Umberto Guidoni). Ha trascorso più di 1.019 ore nello spazio (circa 6 settimane), comprese 20 ore di EVA. Parazynski ha partecipato alla missione STS-120 (alla quale ha partecipato anche Paolo Nespoli) nella quale ha effettuato 4 passeggiate spaziali per continuare l'assemblaggio della Stazione spaziale internazionale, compresa la riparazione del pannello solare P6.[1]