Jusqu'en 1978, il a travaillé à l'Institut d'aéronomie spatiale de Belgique pour mettre au point des instruments capables de faire des mesures dans l'espace. En 1977, il pose pour la première fois sa candidature à la NASA en tant qu'astronaute ; il est retenu parmi les douze premiers d'un total de candidats européens. Cependant, quatre candidats seulement figurent dans la sélection définitive et Dirk Frimout occupe la cinquième place. Il devient alors coordinateur scientifique et coach des participants au vol. En 1985, il pose à nouveau sa candidature et est sélectionné dans le groupe ATLAS-1. Il fait partie de l'équipage de réserve de la mission STS-61K, mais celle-ci est annulée a cause de l'explosion de la navette Challenger et reportée à 1992.