Bolden gjennomgikk flygertrening i Pensacola i Florida, Meridian i Mississippi og Kingsville i Texas. Han fløy mer enn 100 tokt over Nord-Vietnam, Sør-Vietnam, Laos og Kambodsja mens han var stasjonert ved Royal Thai Air Base Nam Phong i Thailand fra 1972 til 1973. I juni 1979 ble han uteksaminert fra United States Naval Test Pilot School ved Naval Air Station Patuxent River som ligger i Maryland. Der begynte han som testpilot og logget mer enn 6000 timer flytid mens han var stasjonert der. Bolden ble valgt som astronaut av NASA i 1980 og han ble gjort til medlem av NASA Astronaut Corps frem til 1994 da han returnerte til aktiv tjeneste i United State Marine Corps fra 27. juni 1994.