Le 23 mars 1984, Patrick Baudry rejoint le corps des Astronautes de la NASA, basé à Houston au Texas, afin de préparer le premier vol spatial franco-américain. Au terme d'une année d'entraînement, il est affecté à la mission 51-E sur Challenger qui est annulée à la suite de problèmes techniques graves. Il n'est pas choisi pour la mission suivante, ce qui poussera des journalistes français à créer une hasardeuse histoire de méfiance américaine envers Baudry, pour causes « de possible espionnage soviétique ». Il est finalement affecté à la mission 51-G sur Discovery, dont le lancement a lieu – après 13 reports de tir - le 17 juin 1985 au départ de Cap Canaveral au Kennedy Space Center en Floride. Discovery revient sur Terre le 24 juin sur la base d’Edwards en Californie. Il fait partie de la mission STS-51G du 17 au 24 juin 1985 comme spécialiste charge utile. Il devient le second astronaute français à être allé dans l'espace lors du premier vol spatial franco-américain, né à Douala au Cameroun, il est également le premier astronaute africain. De son aventure a été tiré le livre avec Benoît Clair intitulé Aujourd'hui, le soleil se lève seize fois , puis "Le Rêve et l'Espace" écrit en 2002 et publié aux Editions du Chêne.
En 1986, Patrick Baudry est nommé conseiller pour les vols habités auprès du président d'Aérospatiale. Il participe au programme Hermès en tant que pilote d'essai de l'avion spatial européen, jusqu'à l'arrêt de ce programme.
Il rejoint alors les essais en vol d'Airbus Industrie où il participe au développement des différents modèles, et effectue des présentations en vol lors des grands salons mondiaux: Le Bourget, Farnborough, Moscou, Berlin, Santiago du Chili, Acapulco, Djakarta, Dubaï, etc...
Membre fondateur et président de l'association des astronautes européens, il est également membre du comité exécutif de l'Association des explorateurs de l'espace, membre de l'académie internationale d'astronautique, membre de l'Académie de l'air et de l'espace.
Il crée, également, en 1990 ACADIS (Académie Internationale Privée d’Enseignement Secondaire et Supérieur), établissement scolaire privé, à Bordeaux pour que les élèves en difficulté ou très doués, puissent disposer, dans des classes à faibles effectifs, d’un enseignement ciblé qui leur convienne.
Cherchant sans cesse à dépasser ses propres limites, il est l’instigateur et un membre très actif d’un certain nombre de projets plus aventureux. Il participe avec Patrick Fourticq et Henri Pescarolo en Lookheed L-18 à la Route de la Vanille, puis, la même année, en 1988, il tente de battre le record de la traversée Sud-Nord de l’Afrique – le Cap-Alger – en automobile en équipage avec René Metge et Nicolas Hulot. En 1990, Il faut compter au nombre de ses exploits, la tentative de battre le record de la traversée de l’Atlantique en bateau à moteur - BLUE RIBBON - tentative organisée par Roger Caille, le Président de Jet Services, avec Serge Madec comme commandant. En 1998, voulant suivre les traces de Mermoz, il effectue, à bord d’un Catalina des années 30, un raid sur les traces de l’Aéropostale, suivi par des milliers d’enfants de tous les pays parcourus, avec Patrick Fourticq et Franklin Devaux, et dont les différentes étapes furent diffusées tous les jours au journal de TF1 à 13 Heures, pendant toute la durée de l’opération.
Il a également écrit de nombreux ouvrages traitant de sujets aussi bien techniques, scientifiques, que philosophiques ou encore humanistes. Très impliqué dans de nombreuses actions envers l’éducation des enfants dans le monde, il est membre de l’UVA – Université Virtuelle Africaine - qui diplôme des étudiants qui auraient difficilement accès à des études supérieures, par le biais de Vidéos Conférences en liaison avec différentes grandes Universités dans le monde. II a été nommé, en 1998, Ambassadeur de bonne volonté de l’UNESCO, et Envoyé Spécial pour "La Paix et les Enfants". Passionné de sports, il en a pratiqué un grand nombre, dont le rugby, le basket, l’athlétisme, la compétition moto, le squash, le tennis, le marathon et la plongée sous-marine, et il est, depuis 2000, Membre du Comité Exécutif de la « Fondation pour la trêve Olympique » émanation du C.I.O.