Em julho de 2006 voltou ao espaço novamente como piloto da STS-121Discovery, sua segunda visita à ISS. Seu terceiro voo espacial foi novamente na nave Discovery, como comandante da missão STS-124 , lançada de Cabo Canaveral em 31 de maio de 2008 e que se destinou a instalar a segunda parte do módulo japonês Kibo na ISS.
Sua quarta missão foi comandando a EndeavourSTS-134, a última missão ao espaço da espaçonave, lançada em 16 de maio de 2011.[1] A missão teve como principal objetivo a colocação em órbita do Espectômetro Magnético Alpha,[2] peça central de um controvertido e pioneiro experimento de US$ 2 bilhões com o qual os cientistas da agência espacial esperam revelar os segredos da misteriosa matéria escura que comporia cerca de 20% do Universo. Em 22 de maio, Kelly recebeu a bênção papal do papa Bento XVI para sua mulher, na primeira vez que um Papa comunicou-se com a tripulação de um ônibus espacial em órbita.[3] Ele regressou à Terra em 1 de junho, comandando o último pouso da Endeavour em Cabo Kennedy, na Flórida.
Estudos dos Gêmeos
Em outubro de 2011 Kelly aposentou-se da NASA e da Marinha para dar melhor assistência à sua mulher, ferida num tiroteio no Arizona. Em 2015, porém, voltou a trabalhar para a agência espacial como parte do projeto "One-Year Crew Mission", a primeira missão de um ano de permanência na ISS, realizada por seu irmão gêmeo também astronauta Scott Kelly, junto com o cosmonauta russo Mikhail Kornienko. Esta missão tem como objetivo medir a capacidade humana para longa permanência no espaço, visando à futuras viagens espaciais para o espaço profundo e para Marte. Durante a permanência de Scott em órbita, ele no espaço e Mark na Terra serviram de cobaias humanas em experiências para a monitoração de saúde e sinais vitais, além de estudos moleculares, de dois homens com o mesmo gene, para medir as possíveis variações e diferenças causadas sobre dois organismos idênticos submetidos aos mesmos experimentos e atividades na Terra e na microgravidade espacial. A experiência, chamada Twins Study, foi realizada entre março de 2015 e março de 2016.[4]
