Im Oktober 2012 wurde Yui für einen Langzeitaufenthalt an Bord der ISS nominiert. Er startete am 22. Juli 2015 zusammen mit dem russischen Kommandanten Oleg Kononenko und dem amerikanischen Astronauten Kjell Lindgren im Raumschiff Sojus TMA-17M zur ISS. Dort arbeitete er bis zum 11. Dezember 2015 als Bordingenieur der ISS-Expeditionen 44 und 45.