I 2009 fungerte Poindexter som CAPCOM (kommunikasjonleder) på STS-125 og senere også med STS-127. I juli 2009 var han sjøkaptein på STS-131 som blant annet medbragte et Multi-Purpose Logistics Module til romstasjonen. Han lot seg pensjonere i 2010 etter en alvorlig infeksjon, som han pådrog seg i forbindelse med sitt siste oppdrag. Tilsammen var han i rommet i 27 dager, 21 timer og 9 minutter.