Aunque inicialmente la mayoría de los astronautas estadounidenses eran pilotos de pruebas, este requisito tenía más que ver con su capacidad para actuar eficazmente en situaciones de gran estrés que con sus habilidades de pilotaje, ya que las naves espaciales utilizadas en los programas Mercury, Gemini y Apolo tenían una capacidad de maniobra limitada en órbita y volvían a la Tierra utilizando paracaídas para la reentrada. A partir de 1978, con la llegada del transbordador espacial, que funcionaba como laboratorio y centro de operaciones cuando estaba en órbita y luego como un planeador de alta velocidad y difícil de controlar cuando volvía a entrar en la atmósfera y volaba hasta un aterrizaje en pista, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) seleccionó dos tipos de individuos como candidatos a astronautas. A un grupo se le exigía una amplia experiencia de vuelo en aviones a reacción. Estos candidatos a astronautas fueron entrenados para servir como pilotos de transbordador y, eventualmente, como comandantes de misión de transbordador. El segundo grupo fue elegido para convertirse en astronautas especialistas de misión. A estos candidatos no se les exigía que fueran pilotos (aunque algunos sí lo eran), sino que se trataba de personas con formación o experiencia científica, médica o de ingeniería avanzada. A partir de 1992, en previsión de la participación en misiones a la Estación Espacial Internacional (ISS), varias personas de diversos países se convirtieron en candidatos a astronautas especialistas en misiones internacionales.
Los especialistas de misión fueron entrenados para tener la responsabilidad principal durante una misión de operar los sistemas del transbordador o de la estación espacial y llevar a cabo la carga útil y las actividades experimentales. Los especialistas de misión también realizaban actividades extravehiculares (paseos espaciales).
Además de los pilotos y los astronautas especialistas de misión, había una tercera categoría de individuos que iban al espacio en el transbordador: los especialistas de carga útil. Llevaban a cabo experimentos o actividades de carga útil con las que estaban especialmente familiarizados. Aunque el público en general los conoce como astronautas, los especialistas de carga útil no se sometieron a una selección o formación formal de astronautas y no fueron designados astronautas de carrera de la NASA. Sin embargo, tenían una educación y una formación adecuadas a las responsabilidades de su misión. El especialista de carga útil para un vuelo espacial específico era designado por la NASA, por una agencia espacial no estadounidense o por un patrocinador de la carga útil. En la década de 1980, dos miembros del Congreso volaron a bordo del transbordador espacial como especialistas de carga útil, y la profesora Christa McAuliffe fue especialista de carga útil «profesora en el espacio» en la malograda misión Challenger. El primer astronauta estadounidense en orbitar la Tierra, John Glenn, volvió al espacio como especialista de carga útil del transbordador en octubre de 1998. La mayoría de los especialistas de carga útil sólo realizaron un vuelo espacial.
Los candidatos a astronauta pueden proceder de la vida civil o militar. Todos (excepto los candidatos a especialistas en misiones educativas) deben tener un título universitario en ingeniería, ciencias biológicas o físicas, o matemáticas. Tanto los hombres como las mujeres pueden presentarse como candidatos a piloto o a especialista de misión. Una persona que desee convertirse en astronauta debe presentar una solicitud formal a la NASA y someterse a un riguroso proceso de selección que consiste en entrevistas personales, evaluaciones médicas y orientación sobre el programa espacial. Según la NASA, se espera que los seleccionados trabajen en equipo y sean generalistas altamente cualificados con un cierto grado de individualidad y autosuficiencia. La edad media de un individuo seleccionado como candidato a astronauta de la NASA ha sido de unos 30 años. La altura máxima para un candidato a astronauta es ahora de 6 pies y 4 pulgadas (193 cm); la altura mínima es de 4 pies y 10,5 pulgadas (149 cm), aunque los pilotos deben medir al menos 5 pies y 4 pulgadas (163 cm).
Los candidatos a astronauta participan en un intenso programa de entrenamiento de uno a dos años en el Centro Espacial Johnson de la NASA, en Houston. Aprenden los sistemas del transbordador y de la estación espacial, el guiado y la navegación, la dinámica orbital y el procesamiento de materiales, así como matemáticas, geología, meteorología, oceanografía, astronomía y física. También reciben formación en supervivencia terrestre y marítima, buceo, trajes espaciales e ingravidez. Tras completar con éxito su formación, los candidatos son designados astronautas de carrera de la NASA.
Una vez que un astronauta es asignado a una misión concreta, él o ella y otros miembros de la tripulación se entrenan juntos durante varios meses para prepararse para las actividades específicas de su vuelo espacial. Esto puede incluir clases de ruso si van a formar parte de una tripulación de larga duración en la ISS. Durante su entrenamiento utilizan diversos simuladores y otros equipos para familiarizarse con las actividades previstas de la misión y reaccionar ante emergencias simuladas y otras desviaciones de las operaciones normales.
Con el fin del programa de transbordadores espaciales y la llegada de las misiones de larga duración en la ISS, la distinción entre astronautas pilotos y especialistas de misión ha desaparecido; un astronauta de cualquier procedencia puede ser candidato a ser asignado a una misión en la estación. Entre sus misiones en el espacio, los astronautas asumen diversas tareas dentro de la NASA, que van desde comunicadores de control de misión (que mantienen el contacto con sus colegas en el espacio) hasta altos directivos.
En el programa espacial ruso ha habido tradicionalmente dos categorías de cosmonautas: los comandantes de misión (que suelen ser pilotos) y los ingenieros de vuelo. Al igual que en Estados Unidos, los candidatos a cosmonauta deben someterse a un riguroso examen físico, que a veces se prolonga durante varios meses, para evaluar su capacidad para realizar vuelos de larga duración. La formación de los candidatos a cosmonauta, que se lleva a cabo en el Centro de Formación de Cosmonautas Yury Gagarin, en la Ciudad de las Estrellas (Rusia), cerca de Moscú, incluye dos años de temas generales relacionados con los vuelos espaciales, tras los cuales son designados cosmonautas, y luego hasta dos años de formación en el hardware de los vuelos espaciales. Sólo entonces se puede asignar a un individuo a una misión específica, con uno o más años adicionales de formación antes del lanzamiento. A diferencia de la formación de los astronautas estadounidenses, que hasta finales de la década de 1990 hacía hincapié en las tareas específicas que debían realizarse en una misión corta del transbordador espacial, la formación antes soviética y ahora rusa ha hecho hincapié en las habilidades generales de vuelo espacial y de resolución de problemas asociadas a estancias más largas en el espacio. Desde finales de la década de 1990, la formación de los astronautas estadounidenses se ha orientado hacia un enfoque similar para aquellos astronautas que se preparan para permanecer en la ISS.
NASA
Además de los programas de formación de astronautas de Estados Unidos, Rusia y China, que son los únicos países con vehículos de lanzamiento y naves espaciales capaces de transportar personas al espacio, la Agencia Espacial Europea, de 22 países, Japón y Canadá tienen programas de selección y formación de astronautas patrocinados por el gobierno que son similares a los de la NASA. Las personas seleccionadas por otros países para ir al espacio participan en el programa de formación de astronautas de Estados Unidos o de Rusia, o en ambos; los que se entrenan para misiones en la ISS también pueden visitar lugares en Europa, Japón y Canadá para recibir formación especializada relacionada con el hardware de la estación espacial.
Unas pocas personas han viajado al espacio como ciudadanos privados. Algunos han sido patrocinados por sus empleadores, como el periodista de la televisión japonesa Akiyama Toyohiro, que informó desde la estación espacial Mir en diciembre de 1990. Otros, como el empresario estadounidense Dennis Tito, el empresario sudafricano Mark Shuttleworth, el empresario estadounidense Gregory Olsen, el ingeniero estadounidense de origen iraní Anousheh Ansari, el ejecutivo de software informático estadounidense de origen húngaro Charles Simonyi, el desarrollador de juegos informáticos estadounidense de origen británico Richard Garriott y el artista canadiense Guy Laliberté, que realizaron breves viajes a la ISS a bordo de una nave espacial rusa entre 2001 y 2009, utilizaron sus propios recursos para pagar el multimillonario precio del viaje. A estos individuos se les denomina participantes en vuelos espaciales o «turistas espaciales».