Au sein de la Clinique de rhumatologie du service de réadaptation de l'hôpital Cochin à Paris, Claudie Haigneré exerce pendant huit ans une activité médicale. Pendant six ans, au Laboratoire de physiologie neuro-sensorielle du CNRS à Paris, elle prépare des expériences scientifiques dans le domaine de la physiologie humaine et effectue des recherches sur l'adaptation des systèmes sensori-moteurs en microgravité.
De 1990 à 1992, Claudie Haigneré, responsable des programmes de physiologie et de médecine spatiale à la Division « Sciences de la Vie » du CNES à Paris, participe aux orientations de la recherche spatiale dans ce domaine en étroite collaboration avec les laboratoires français et internationaux.
Elle assure, de 1989 à 1992, la coordination scientifique de la mission franco-russe Antarès pour les expériences des sciences de la vie.
Le 17 août 1996, Claudie Haigneré commence un vol de 16 jours à bord de la station orbitale russe Mir dans le cadre de la mission franco-russe CASSIOPEE et effectue de nombreuses expériences médico-physiologiques, techniques et biologiques.
En mai 1998, elle rejoint la Cité des étoiles comme astronaute suppléante pour la mission franco-russe Perseus qui débute en février 1999 à bord de Mir. Elle suit un entraînement complet d'ingénieur de bord de la station et de cosmonaute sauveteur de vaisseau Soyouz.
En novembre 1999, elle est intégrée à l'Agence spatiale européenne et rejoint le corps des astronautes européens à Cologne en Allemagne.
En janvier 2001, elle rejoint à nouveau la Cité des étoiles pour un entraînement de 9 mois pour la mission Andromède. Première astronaute française à voler à bord de la Station spatiale internationale (ISS), Claudie Haigneré, ingénieur de bord n° 1, réalise un programme expérimental dans les domaines de l'observation de la Terre, de l'étude de l'ionosphère, des sciences de la vie ainsi que des sciences de la matière.