С 10 августа по 17 декабря 2001 года в качестве бортинженера корабля «Союз ТМ» и МКС по программе 3-й основной экспедиции МКС вместе с Фрэнком Калбертсоном и Владимиром Дежуровым. Стартовал на шаттле Discovery SТS-105, посадку совершил на шаттле Endeavour STS-108 в качестве специалиста полета.

Во время полета совершил три выхода в открытый космос:
08.10.2001 - продолжительностью 4 часа 58 минут;
15.10.2001 - продолжительностью 5 часов 51 минута;
03.12.2001 - продолжительностью 2 часа 46 минут.

Продолжительность полета составила 128 дней 20 часов 45 минут 59 секунд.

С 18 сентября 2006 года по 21 апреля 2007 года в качестве командира корабля «Союз ТМА-9» и бортинженера МКС по программе 14-й основной экспедиции, вместе с Майклом Лопес-Алегриа и Анюшэ Ансари. Стыковка с МКС состоялась 20 сентября в 09:21:20 мск. Расстыковка - 21 апреля 2007 года в 13.11 мск.

Во время полета совершил два выхода в открытый космос:
23.11.2006 - продолжительностью 5 часов 38 минут. Экипаж, в частности, осуществил монтаж аппаратуры бортового телескопа нейтронов на служебном модуле «Звезда», демонтировал антенну межбортовой радиолинии WAL2 и установил ее на поручень агрегатного отсека модуля «Звезда». Во время выхода Михаил Тюрин в рамках коммерческого соглашения Роскосмоса с производителем спортивного оборудования отправил в открытый космос мяч для гольфа.
22.02.2007 - продолжительностью 6 часов 18 минут. Астронавты демонтировали один из контейнеров с образцами конструкционных материалов, на торцевой части модуля с помощью специальных инструментов они освободили антенну грузового корабля «Прогресс М-58» и перевели ее в закрытое положение, а также установили две новые рабочие площадки «Якорь».

Продолжительность полета составила 215 суток 08 часов 22 минуты 50 секунд.