5年6月，入选神舟六号载人航天飞行乘组梯队成员，隶属总装，改为陆军。于2005年10月12日和费俊龙搭乘神舟六号飞船进入太空，成为中国第二批进入太空的宇航员。2011年，获晋升为少将军衔。2013年6月11日，他参与神舟十号载人航天任务，成为继景海鹏之后的第二位中国再飞航天员，并且成为在天飞行时间最长的中国航天员。2016年2月，接替费俊龙任中国人民解放军中国航天员大队大队长。
家庭.聂海胜的妻子是聂捷琳，有一个女儿。在神舟六号任务中，他在太空度过了自己41岁生日。