Praca w NASA i kariera astronauty 2000 – 26 lipca został przyjęty do korpusu amerykańskich astronautów () jako kandydat na specjalistę misji. 2002 – zakończył 18-miesięczne przeszkolenie podstawowe, po którym otrzymał przydział do Biura Astronautów NASA do Wydziału Eksploatacji Wahadłowców, z zadaniem wspierania operacji startu i lądowania w KSC. W późniejszych latach pracował też m.in. jako szef Wydziału Eksploatacji Stacji Kosmicznej (Space Station Operations Branch). 2007 – 29 stycznia wyznaczony został do składu załogi misji STS-123 w roli specjalisty misji. 2008 – 11 marca wystartował do misji STS-123 wahadłowca Endeavour. Podczas tego lotu do ISS został dołączony japoński moduł Kibō oraz kanadyjski manipulator Special Purpose Dexterous Manipulator. 2010 – 8 lutego wystartował do misji STS-130 wahadłowca Endeavour. 2012–2015 – był szefem Biura Astronautów NASA. 2015 – 9 lipca agencja NASA ogłosiła, że Behnken został jednym z czterech astronautów wybranych do szkolenia i przygotowań do testowych lotów na prywatnych statkach kosmicznych firm SpaceX (statek Crew Dragon) i Boeing (CST-100 Starliner), budowanych w ramach Commercial Crew Program. Docelowo statki te mają być wykorzystywane przez NASA do transportu astronautów na stację ISS oraz powrotu ze stacji na Ziemię.