Venne selezionato come candidato astronauta dalla National Space Development Agency of Japan (NASDA; dal 2003 Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) nel maggio 1996. Completò due anni di addestramento per i candidati astronauti presso il Johnson Space Center (JSC) della NASA nell'aprile del 1998, alla conclusione dei quali venne qualificato come specialista di missione. In attesa di venir assegnato ad una missione spaziale a bordo dello Space Shuttle, iniziò l'addestramento di base della navicella spaziale russa Sojuz presso il Centro di addestramento cosmonauti (GCTC) nella Città delle Stelle, in Russia. Continuò poi la formazione avanzata di specialista di missione presso il JSC mentre lavorava ai test di collaudo del Japanese Experiment Module (JEM). Nell'aprile 2001 venne assegnato alla missione Shuttle STS-114 ma il lancio venne rinviato di diversi anni a seguito del disastro del Columbia. Nel febbraio 2007 Noguchi venne assegnato come membro dell'equipaggio dell'Expedition 20, poi trasferito alle Expedition 22/23. Nell'estate del 2012 prese parte alla missione analoga europea ESA CAVES, trascorrendo una settimana all'interno di una grotta in Sardegna. Da agosto 2012 e aprile 2016 ricoprì il ruolo di Capo del Corpo astronauti della JAXA, mentre da settembre 2014 a settembre 2016 fu presidente dell'Association of Space Explorers (ASE). A settembre 2013 passò quattro giorni sul fondale marino della Florida a bordo del laboratorio "Aquarius" per prendere parte alla missione analoga SEATEST II. A novembre 2017 venne assegnato alla missione di lunga durata Expedition 62/63 ma, nel luglio 2019, dopo aver ricoperto il ruolo di membro dell'equipaggio di riserva della Sojuz MS-13 (Exp 60/61) venne rimosso e trasferito agli equipaggi commerciali americani United States Crew Vehicle (USCV). Il 31 marzo 2020 venne assegnato alla prima missione operativa della Crew Dragon con partenza prevista per agosto 2020.