Participó en la misión del transbordador espacial [[Transbordador espacial Endeavour|Endeavour]] [[STS-118]] en agosto de 2007 y en la misión de la nave [[Soyuz]] [[TMA-18]], formando parte de las expediciones 15 y 23 de la [[estacion espacial internacional]].
Caldwell Dyson fue asignada y después voló en la misión [[STS-118]] en el transbordador espacial Endeavour, del 8 hastaal 21 de agosto de 2007, que fue el vuelo del transbordador espacial 119, el vuelo 22 a la estación, y el vuelo 20 para el Endeavour. Caldwell Dyson fue asignadoasignada como especialista de misión #nº 1 en este vuelo. Durante la misión del Endeavour la tripulación agregó con éxito otro segmento delde la armazón, un giroscopio nuevo y una plataforma externa de piezas de repuesto a la [[Estación Espacial Internacional]]. Un nuevo sistema que permite a los transbordadores atracados usar consumo de energía eléctrica de la estación para ampliar las visitas a la estación se activó con éxito. Un total de cuatro caminatas espaciales [[Actividad extravehicular|EVA]] fueron realizadas por tres miembros de la tripulación. El Endeavour llevó unos 5.000 kilos de equipos y suministros a la estación y regresaron a la Tierra con unos 4.000 kilogramos de hardware y equipo no necesario. La misión [[STS-118]] se completó en 12 días, 17 horas, 55 minutos y 34 segundos. Finalmente, durante el vuelo de la misión STS-118, Caldwell Dyson celebró su cumpleaños número 38 en el espacio.
El 4 de abril de 2010, Caldwell Dyson se unió a la tripulación de la Expedición 23 a bordo de la [[EEI]]. Despegó el 022 de abril de 2010 desde la base espacial de Baikonur a bordo de la nave rusa [[Soyuz]] [[TMA-18]]. Después de formar parte de la tripulación durante 176 días en la Expedición 24, regresó a la Tierra en la cápsula [[Soyuz]] [[TMA-18]] junto con el comandante Alexander Skvortsov y el ingeniero de vuelo Mikhail Korniyenko, Dyson aterrizó en Kazajstán el 25 de septiembre de 2010.
Ha pasado en el espacio 188 días, 19 horas, 14 minutos.
