Дмитрий Петелин – участник первого открытого набора в отряд космонавтов 2012 года, рекомендованный Межведомственной квалификационной комиссией к подготовке в должности кандидата в космонавта. Через два года, сдав Государственный экзамен, Дмитрий Петелин был допущен к подготовке в составе групп специализаций и совершенствования в должности космонавта-испытателя.

В сентябре 2022 года Дмитрий Петелин отправился в свой первый космический полет вместе с космонавтом Сергеем Прокопьевым и астронавтом Фрэнком Рубио. К настоящему времени космонавт совершил пять выходов в открытый космос продолжительностью более 33 часов.