Pedro Duque voló por primera vez al espacio el 29 de octubre de 1998 con el Transbordador “Discovery” de la NASA en la misión STS-95, ocupando el puesto de Ingeniero de Vuelo. Sus compañeros fueron: el Comandante Curtis L.Brown, el Piloto Steven W. Lindsey, los Ingenieros de Vuelo Stephen K. Robinson y Scott E. Parazynski, y los astronautas científicos Chiaki Mukai y John H. Glenn (el primer astronauta de los EEUU en entrar en órbita, que tenía 77 años cuando emprendió este su segundo vuelo). Esta misión de nueve días se dedicó a la investigación en falta de gravedad y al estudio del Sol. Duque se responsabilizó, entre otras cosas, de las cinco instalaciones científicas de la ESA a bordo del transbordador, así como del sistema informático empleado en el transbordador.

“Me emocionó mucho el interés que hubo en España por seguir el vuelo y sobretodo el cariño con el que se me recibió. Nunca lo olvidaré”. “Sólo me puedo considerar privilegiado de haber tenido la suerte de participar”

 Pero llegar hasta allí no fue fácil para Pedro Duque. Además de tener que superar unas duras pruebas de selección -sobre las que no se cansa de repetir que tuvo mucha suerte-, estuvo seis años formándose para poder hacer este viaje tan especial.
   
El astronauta español Pedro Duque regresa al espacio cinco años después de su primera aventura. En octubre de 2003, Duque participó en otro viaje, en el cual fue lanzado en una nave Soyuz TMA, realizando la labor de ingeniero de vuelo y visitando la Estación Espacial Internacional durante diez días para la realización de la Misión Cervantes. El astronauta llevó a cabo un extenso programa experimental en la áreas de biología, fisiología, física, observación de la tierra, educación y nuevas tecnologías, incluyendo operaciones con el Microgravity Science Glovebox, un equipo científico desarrollado en Europa.

Su "bautismo espacial" le puso en una posición privilegiada, entre otras muchas condecoraciones recibió en marzo de 1995  la "Orden de la Amistad" concedida por el Presidente Yeltsin de la Federación Rusa. En febrero de 1999 recibió la Gran Cruz al Mérito Aeronáutico, impuesta por Juan Carlos I, Rey de España. En Octubre de 1999, Pedro Duque recibió el Premio Príncipe de Asturias de Cooperación Internacional junto con los astronautas Chiaki Mukai, John Glenn y Valery Polyakov. El premio les fue concedido por haber sido considerados representantes de los artífices de la cooperación internacional en la exploración pacífica del espacio.

En el año 2006 fue nombrado director general de Deimos Imaging, una empresa del grupo industrial ELECNOR situada en el Parque Tecnológico de Boecillo (Valladolid), que pondrá en órbita en las próximas semanas el primer satélite comercial privado de Observación de la Tierra de Europa que permitirá mejorar el uso de los recursos naturales, estando especialmente dedicado a la optimización de los cultivos, el control de los recursos hídricos, la detección y control de incendios o la salud de los bosques.