ב־23 באוקטובר2007 שוגר פאולו נספולי כמומחה משימה במשימה STS-120 לתחנת החלל הבינלאומית, המשימה העבירה את יחידת הרמוני. הרמוני נבנה על ידי חברת Thales Alenia Space בטורינו, איטליה. המשימה נמשכה 15 ימים, שעתיים ו־23 דקות. במהלך שהייתו בתחנת החלל, הוא ביצע מספר ניסויים לקהילת המדענים האירופית בתחום הפיזיולוגיה והביולוגיה כחלק ממשימת Esperia של סוכנות החלל האירופית. הוא לקח חלק בפעילויות חינוכיות בזמן שהייתו בתחנה.
סויוז TMA-20
ב־15 בדצמבר 2010 שוגר נספולי בשנית לתחנת החלל, בחללית הרוסית סויוז במשימת סויוז TMA-20 היה חבר במשלחת מס' 26 ו-27. במשימה זו שימש כמהנדס טיסה ושהה בחלל במשך שישה חודשים.
במהלך שהייתו על התחנה, השתתף בפעולות העגינה של חללית המטען האירופאית ATV-2 "יוהנס קפלר" שהעבירה מצרכים חיוניים לתחנה. כמו כן, לקח חלק בפעולות העגינה של החללית היפנית HTV-2. במהלך שהייתו בתחנת החלל התחברה אליה מעבורת החלל אנדוור.
ב־4 במאי2011 נפטרה אמו של נספולי, ובמהלך הלווייתה עמדו חברי הצוות דקת דומייה.[4]
פאולו נספולי ביצע ניסויים רבים בתחנת החלל שכיסו תחומי מחקר רבים: פיזיקה, כימיה, קרינה, והוא ביצע גם הדגמות של טכנולוגיות שונות לסוכנויות חלל שונות - של ארצות הברית, קנדה ויפן. במהלך משימתו השתתף בפעילויות חינוכיות כמו "Mission X: Train Like an Astronaut" אשר נתנה לילדים הזדמנות לעקוב אחר יוזמות בינלאומיות בנושאי בריאות, רווחה ותזונה.
כשנספולי עזב עם חללית סויוז את תחנת החלל הוא צילם תמונות ראשונות של מעבורת החלל כשהיא מחוברת אל תחנת החלל.
משלחת 52/53 לתחנת החלל הבינלאומית
פאולו נספולי מציג את עצמו באנגלית, הוקלט בתחנת החללהלוגו של משימת VITA
ביולי 2015, הוכרז כי פאולו נספולי יהיה חלק ממשלחת 52/53 לתחנת החלל הבינלאומית, האמורה להיות משוגרת באמצע 2017.[5]
משלחת 52 שוגרה ב־28 ביולי 2017 על גבי סויוז MS-05. על החללית היו נספולי, רנדי ברזניק וסרגיי רְיָאזאנסקי. עם בואם לתחנת החלל, חזר מספרם של אנשי הצוות והיה שישה אנשים.[6]
משימתו של נספולי לתחנת החלל נקראת VITA (באיטלקית "חיים", ראשי תיבות של Vitality, Innovation, Technology and Ability - חיוניות, המצאה, טכנולוגיה, ויכולת). המשימה כללה ניסויים מדעיים לבחינת טכנולוגיות לחיים בחלל, וכן ניסויים ביולוגיים. במקביל היה נספולי מעורב בבניית התחנה ובפעילויות חינוך, כגון אימון כמו אסטרונאוט (Mission-X: Train Like an Astronaut) וגם אתגר ה-PI האירופאי, לבדיקת קוד שנכתב על ידי תלמידים במחשבי, Raspberry Pi שעל התחנה.[7]
לוגו משימת ויטה פותח על ידי סוכנות החלל האירופאית, סוכנות החלל האיטלקית, ונספולי. הלוגו עגול וכחול, ומשקף את כדור הארץ. שלושת האלמנטים העיקריים במשימה משולבים בסימן שנקרא Third paradise ודומה לסימן האינסוף. בעיגול הראשון, DNA המשקף את הניסויים המדעיים. באמצע כדור הארץ והאנושות, והספר מסמל את התרבות, פעילויות החינוך וההשכלה שנספולי מקדם. הסימן Third paradise פותח על ידי האמן מיכאלאנג'לו פיסטולטו.[8]
במהלך שהותו בחלל הקליט נספולי את קולו עבור הערך שלו בוויקיפדיה והציג את עצמו באיטלקית ובאנגלית, התוכן החופשי הראשון שהוקלט בחלל.[9]
