飞机和直升机的驾驶技术，最终于1997年正式加入加加林宇航员培训中心的宇航员队伍，成为俄罗斯第91位宇航员，也是世界上第388位宇航员。
STS-96.1999年5月27日美国东部时间上午6时49分，托卡列夫等宇航员在美国肯尼迪航天中心乘坐发现号航天飞机飞往国际空间站，完成了自己的首次太空飞行。此次任务时长为9日19时13分。
远征12.2005年9月3日，他作为联盟TMA-7号飞船的指令长、远征12任务飞行工程师，与美国宇航员威廉·麦克阿瑟搭乘联盟TMA