Noguchi đã được chọn làm ứng cử viên phi hành gia bởi cơ quan Phát triển Không gian Quốc gia Nhật Bản (bây giờ trực thuộc JAXA) vào tháng 6 năm 1996. Tháng 8, 1996, ông đã tới trung tâm không gian Lyndon B. Johnson để tham gia một khóa đào tạo phi hành gia của NASA. Noguchi đã đạt trình độ chuyên gia phi vụ sau hai năm và tiếp tục được đào tạo tại trung tâm đào tạo du hành gia Yuri Gagarin thuộc hệ thống không gian Nga vào năm 1998. Ông đã được phân công hỗ trợ kĩ thuật cho module thí nghiệm Nhật Bản của trạm không gian quốc tế (ISS) và sau đó vào tháng 4 năm 2001, ông tham gia vào phi hành đoàn STS-114 với vai trò chuyên viên phi vụ.

Noguchi đã đến ISS trong khuôn khổ chuyến bay Soyuz TMA-17 vào ngày 20 tháng 12, 22009. Ông đã phục vụ cho Expedition 22 và Expedition 23[6]. Khi ở ngoài vũ trụ, ông đã chụp nhiều bức ảnh về Trái Đất và chia sẻ trên Twitter. Ông quay lại Địa Cầu ngày 2 tháng 6 năm 2010.