Sergei Krikalev était à bord de STS-60 Discovery, la première mission conjointe de la Navette spatiale Américano-russe. Lancé le 3 février 1994 depuis le Centre spatial Kennedy (KSC), en Floride, STS-60 était le deuxième vol du Module d’habitation Spatiale-2 (Spacehab-2) et le premier vol de l’installation Wake Shield (WSF-1). Pendant le vol, l’équipage de Discovery a mené une grande variété d’expériences en science des matériaux, à la fois sur le WSF-1 et dans le Spacehab, ainsi que des expériences d’observation de la Terre et de sciences de la vie. Krikalev a effectué des parties importantes des opérations du système de télémanipulation (RMS) pendant le vol. Après 130 orbites de la Terre en 3 439 705 milles, STS-60 a atterri à KSC le 11 février 1994.
Krikalev a repris du service en Russie, mais s’est périodiquement rendu au Centre spatial Johnson à Houston pour travailler avec le Contrôle de mission de la NASA et les contrôleurs au sol en Russie pour soutenir des missions conjointes de navettes américaines / russes, notamment STS-63, STS-71, STS-74 et STS-76.
La prochaine mission spatiale de Sergei Krikalev était STS-88 Endeavour, lancée depuis KSC le 4 décembre 1998. Il s’agissait de la première mission d’assemblage de la Station Spatiale internationale (ISS). En orbite, l’équipage a rejoint le module Unity de l’ISS avec le module Zarya. Krikalev et d’autres ont effectué trois sorties dans l’espace pour connecter des ombilicaux et attacher des outils et du matériel pour une utilisation dans les futures EVA.L’équipage a également effectué des opérations de caméra de soute IMAX et déployé deux satellites. La mission s’est terminée le 15 décembre, avec un atterrissage de nuit à KSC après 185 orbites de la Terre en 283 heures et 18 minutes.
La prochaine mission de Krikalev était de vivre et de travailler à bord de l’ISS au sein de l’équipage de l’Expédition-1, le premier à occuper réellement la station. Le Commandant de mission William Shepherd, l’ingénieur de vol Krikalev et le Commandant Soyouz Yuri Gidzenko ont été lancés le 31 octobre 2000 sur une fusée Soyouz depuis Baïkanor, au Kazakhstan, et se sont amarrés avec succès à la station le 2 novembre 2000. L’équipage a passé quatre mois et dix-sept jours à bord de la station et est revenu sur Terre le 21 mars 2001.
Le 14 avril 2005, le colonel Krikalev est entré dans l’espace pour la sixième fois, à bord d’une fusée Soyouz lancée depuis Baïkonour, au Kazakhstan. En tant que commandant du onzième équipage à occuper l’ISS, Expedition-11, il était accompagné de l’astronaute américain John L. Phillips. Au cours de la mission, Krikalev a dépassé le record de temps total dans l’espace (anciennement détenu par Sergei Avdeyev avec 747,5 jours) le 16 août 2005. Son temps cumulé dans l’espace serait un record mondial de 803 jours et 9 heures et 39 minutes à son retour au Kazakstan à bord d’une fusée Soyouz le 10 octobre 2005. Sergei Krikalev a également effectué huit EVAs totalisant 40 heures et 58 minutes en servant sur le Mir, la Navette et la Station spatiale Internationale.
Pour son expérience de vol spatial, Krikalev a reçu le titre de Héros de l’Union soviétique, l’Ordre de Lénine, le titre français de L’Officier de la Légion d’Honneur et le nouveau titre de Héros de la Russie. Il a également reçu la Médaille du Vol spatial de la NASA en 1994 et une autre en 1998. Le colonel Sergei Krikalev devrait commander la mission Soyouz TMA-14 et l’expédition ISS-19, dont le lancement est prévu en mars 2009. L’astéroïde 7469 Krikalev est nommé en son honneur.