29 июня 2009 года был зачислен в отряд астронавтов НАСА в составе 20-го набора НАСА в качестве кандидата в астронавты. Ванде Хай закончил двухлетний курс общекосмической подготовки в июле 2011 года и получил квалификацию астронавта[3]. С июня 2012 по май 2013 года Ванде Хай являлся директором офиса НАСА в Звёздном городке[4][1].
Проходил подготовку в качестве бортинженера дублирующих экипажей ТПК «Союз МС-02» и «Союз МС-05»[2]. 22 июня 2015 года был назначен бортинженером основного экипажа корабля «Союз МС-04» совместно с космонавтами А. Мисуркиным и Н. Тихоновым[4]. В январе 2016 года члены основного экипажа прошли тренировку по действиям в случае аварийной посадки в лесисто-болотистой местности зимой[3]. В октябре 2016 года, в связи с сокращением численного состава российских космонавтов в экипажах МКС до двух человек[6][7], экипаж ТПК «Союз МС-04» был полностью изменён. 28 октября 2016 года Межведомственная комиссия госкорпорации «Роскосмос» утвердила составы основных и дублирующих экипажей длительных экспедиций (МКС-51/52, 52/53, 53/54, 54/55) к Международной космической станции в 2017 году. Астронавт Марк Т. Ванде Хай был включён в состав основного экипажа ТПК «Союз МС-06»[8].
Космические полёты
Первый полёт
13 сентября 2017 года в 00:17:02 мск Марк Ванде Хай совместно с космонавтом Александром Мисуркиным и астронавтом Джозефом Акабой стартовал в качестве бортинженера экипажа космического корабля «Союз МС-06» и экипажа Международной космической станции по программе основных космических экспедиций МКС-53/ 54[9]. Полёт к МКС осуществлялся по «короткой» шестичасовой четырёхвитковой схеме. В 05:55 мск 13 сентября корабль «Союз МС-06» в автоматическом режиме пристыковался к Международной космической станции на стыковочный узел модуля «Поиск»[10].
Ванде Хай совершил четыре выхода в открытый космос общей продолжительностью более 26 часов. Во время своего первого выхода 5 октября 2017 года он вместе с астронавтом НАСА Р. Брезником в течение 6 часов 55 минут занимался ремонтом захватного механизма канадского манипулятора Canadarm2. 10 октября астронавты продолжили работы в открытом космосе по ремонту манипулятора, они смазали новый захват на механическом манипуляторе станции и заменили камеры на левой стороне фермы станции и на правой стороне американской лаборатории «Дестини». Продолжительность второго выхода составила 6 часов 26 минут[11]. 23 января 2018 года Ванде Хай и астронавт НАСА Скотт Тингл в течение 7 часов 24 минут провели работы в открытом космосе по замене вышедшего из строя захватного механизма манипулятора Canadarm2. 16 февраля 2018 года Ванде Хай вышел в открытый космос в четвёртый раз вместе с астронавтом Норишиге Канаи. Астронавты демонтировали неработающий захватный механизм LEE-B манипулятора Canadarm2 и перенесли его в шлюзовой отсек модуля «Квест» для последующего возвращения на Землю; продолжительность работы в космосе составила 5 часов 57 минут[12].
Приземление экипажа на спускаемом аппарате корабля «Союз МС-06» состоялось 28 февраля 2018 года в 05 часов 31 минуту (мск) в 146 км юго-восточнее города Жезказган в Казахстане[13].
Второй полёт
Стартовал 9 апреля 2021 года в 10:42 мск с площадки № 31 космодрома Байконур в качестве бортинженера № 2 экипажа космического корабля «Союз МС-18» и экипажа Международной космической станции по программе МКС-64/65 основных космических экспедиций. Командир экипажа «Союз МС-18» — космонавт РоскосмосаОлег Новицкий, бортинженер № 1 — космонавт Пётр Дубров[14].
Сближение ТПК «Союз МС» с МКС проводилось по «сверхбыстрой», двухвитковой схеме. Корабль причалил в 14:04 мск к модулю «Рассвет» российского сегмента МКС через 3 часа 22 минуты после старта. Посадка корабля намечена на 17 октября 2021 года[15].
Марк Ванде Хай и Пётр Дубров провели в космосе 355 дней и вернулись на Землю на ТПК «Союз МС-19» вместе с космонавтом Антоном Шкаплеровым, прибывшим на МКС 5 октября 2021 года[16][17]. Тем самым он установил новый национальный рекорд США: провёл на орбите 355 дней за один полёт (предыдущий рекорд установил в 2016 году Скотт Келли). 30 марта 2022 года в 14:28 мск спускаемый аппарат пилотируемого корабля «Союз МС-19» совершил посадку в расчётном районе на территории Казахстана[18].
Оплату за этот полёт Марка Ванде Хая, в размере 2 миллиардов рублей, совершила компания Аксиом Спейс, выступившая посредником между НАСА и Роскосмосом[19].