С февраля 1998 года по сентябрь 2003 года — летчик-инструктор, затем командир авиационного звена УАП Краснодарского военного авиационного института (ВАИ) в Котельниково (Волгоградской области).
С сентября 2003 года и до зачисления в отряд космонавтов проходил службу в качестве командира авиационного звена 70-го Отдельного испытательного тренировочного авиационного полка особого назначения (ОИТАПОН) имени В. С. Серегина РГНИИ ЦПК (пос. Чкаловский), Московский военный округ.
Лётчик-инструктор 2 класса. Освоил самолёты Як-52 и Л-39. Общий налёт — более 1300 часов.
Приказом министра обороны РФ в 2012 году уволен из Вооруженных сил в запас.
11 октября 2006 года — на заседании Межведомственной комиссии по отбору космонавтов был зачислен в отряд космонавтов для прохождения общекосмической подготовки (ОКП)
С 16 по 22 июня 2008 года в Севастополе участвовал в тренировках на случай посадки спускаемого аппарата на воду в составе условного экипажа вместе с Робертом Тёрском (Канада) и Ричардом Гэрриотом (США).
9 июня 2009 года присвоена квалификация "космонавт-испытатель" и вручено удостоверения космонавта № 205.
1 августа 2009 года назначен на должность космонавта-испытателя отряда ЦПК.
В октябре 2009 года на космодроме Байконур принимал участие в тренировках в малом исследовательском модуле
26 апреля 2010 года был аттестован в качестве космонавта отряда ФГБУ "НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина".
Имеет классную квалификацию лётчика-инструктора 2-го класса, парашютиста-инструктора, офицера-водолаза.
В 2012 году поступил на факультет государственного и муниципального управления Владимирского филиала Российской академии народного хозяйства и государственной службы
В сентябре 2013 года принимал участие в миссии "Caves" в пещерах на острове Сардиния (Италия), в ходе которой пять астронавтов и космонавтов из различных космических агентств работали в мультикультурной и многонациональной команде в экстремальных условиях под землей
Проходил подготовку в составе дублирующего экипажа ТПК "Союз ТМА-16М", старт которого состоялся 27 марта 2015 года, прошел подготовку в качестве командира основного экипажа ТПК "Союз МС-01", старт которого планировался на 30 марта 2016 года, но был перенесен на 7 июля.
Осенью 2015 года в ЦПК принял участие в дегустации различных блюд, предназначенных для космонавтов на борту МКС. Вместе с космонавтом Скрипочкой в течение восьми дней они продегустировали 160 блюд. За один прием пищи космонавты пробовали сразу около 20 наименований блюд. Еда оценивалась по 9-балльной шкале. При этом калорийность основной части суточного рациона для космонавтов составляет 2 тысячи килокалорий
Стартовал 19 марта 2016 года на корабле "Союз ТМА-20М" в качестве командира экипажа вместе с бортиженерами Олегом Скрипочкой и Джеффри Уильямсом. Корабль в тот же день успешно состыковался с МКС.
7 сентября 2016 года спускаемый аппарат ТПК "Союз ТМА-20М" приземлился в 147 км юго-восточнее города Джезказган в Казахстане. Продолжительность полёта составила 172 суток 03 часа 47 минут 15 секунд.
Женат, жена Светлана Овчинина. Дети: Яна (2007 г.р.)
Подполковник ВВС
Лётчик-космонавт Российской Федерации (2017)
Государственные награды:
Герой Российской Федерации (10 сентября 2017 года) — за мужество и героизм, проявленные при осуществлении длительного космического полёта на Международной космической станции
медаль "За воинскую доблесть" II степени
Ведомственные награды Министерства обороны России:
медали "За отличие в военной службе" I, II, III степени