В 1990 году был зачислен в отряд космонавтов, проходил специальную подготовку с октября 1990 по март 1992 года. 11 марта 1992 года был назначен космонавтом-испытателем. В 1992—1997 годах проходил программу подготовки к полёту на орбитальную станцию «Мир». Был назначен командиром экипажа, полёт которого намечался на август 1999 года, но экспедиция была отменена из-за недостатка средств.

4 апреля 2000 года Залётин отправился в свой первый космический полёт. Он провёл 72 суток 19 часов 42 минуты 16 секунд на космическом корабле «Союз ТМ-30» и орбитальном комплексе «Мир», а также совершил один выход в открытый космос. 16 июня 2000 года экипаж вернулся на Землю.

30 октября 2002 года совершил свой второй полёт в качестве командира экипажа «Союз ТМА-1» и четвёртой экспедиции посещения МКС. Провёл на орбите 10 суток 20 часов 53 минуты 9 секунд. 10 ноября 2002 года экипаж вернулся из экспедиции.

1 мая 2014 года переведён с должности инструктора-космонавта-испытателя на должность ведущего специалиста организационно-планового отделения отряда космонавтов ЦПК, выбыв из числа действующих космонавтов.

Награды

— Герой Российской Федерации (9 ноября 2000 года) — за мужество и героизм, проявленные во время длительного космического полёта на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Мир»
— Орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени
— Медаль «За заслуги в освоении космоса» (12 апреля 2011 года) — за большие заслуги в области исследования, освоения и использования космического пространства, многолетнюю добросовестную работу, активную общественную деятельность
— Лётчик-космонавт Российской Федерации (9 ноября 2000 года)
— Премия Правительства Российской Федерации (2000 год)
— Командор ордена Короны (Бельгия, 2011 год)