2020年9月,朱杨柱作为航天飞行工程师入选为中国第三批航天员。2022年6月,朱杨柱入选神舟十六号载人飞行任务乘组,成为国防科技大学培养的首位博士航天员和中国首位非飞行员出身的职业航天员。[4]
2023年5月30日,神舟十六号载人飞船发射取得圆满成功。7月20日21时40分,经过约8小时的出舱活动神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮圆满完成既定任务,朱杨柱成为中国首个出舱活动的航天飞行工程师,这也是朱杨柱首次执行飞行任务。[7][8][9]2023年10月31日,神舟十六号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。[10]朱杨柱身体健康状况良好,神舟十六号载人飞行任务取得圆满成功。[11] 2024年1月19日下午,中国航天员科研训练中心在北京航天城举行神舟十六号航天员乘组与记者见面会。朱杨柱、桂海潮、景海鹏3名航天员从太空返回80天后首次正式公开亮相。[12]2024年4月18日,中共中央、国务院、中央军委决定,授予朱杨柱同志“英雄航天员”荣誉称号并颁发“三级航天功勋奖章”。[13]