Praca w NASA i kariera astronauty 2004 – 6 maja został przyjęty do 19 grupy astronautów NASA. 2006 – w lutym w Johnson Space Center zakończył przeszkolenie podstawowe, uzyskując uprawnienia specjalisty misji, podczas którego poznał m.in. budowę wahadłowców oraz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Po kursie został skierowany do Biura Astronautów NASA. 2008 – 30 września został wyznaczony do załogi misji STS-129. Powierzono mu podczas tej wyprawy funkcję specjalisty misji. 2009 – w drugiej połowie listopada uczestniczył w ponad 10-dniowym locie kosmicznym na pokładzie promu Atlantis, podczas którego odbył dwa spacery kosmiczne trwające łącznie ponad 12 godzin. 2011 – we wrześniu opuścił NASA. Zatrudnił się jako chirurg onkolog w MD Anderson Cancer Center w Houston.
Stowarzyszenie Uczestników Lotów Kosmicznych () przyznało mu Universal Astronaut Insignia za lot orbitalny (nr 507).
Wykaz lotów Lot kosmiczny, w którym uczestniczył Robert L. Satcher Lp.