Лончаков Юрий Валентинович совершил три космических полета общей продолжительностью 200  суток и 19 часов. За время полета выполнил 2 выхода в открытый космос, длительность которых составила 10 часов и 25  минут.

Первый космический полет продолжительностью 11 дней Юрий Валентинович  совершил с 19 апреля по 1 мая 2001 года в качестве специалиста полета шаттла «Endeavour» (STS-100) по программе развертывания МКС.

Второй полет в космос Юрий Лончаков осуществил в качестве бортинженера российского транспортного пилотируемого корабля (ТПК) «Союз ТМА-1» вместе с Сергеем Залётиным и Франком Де Винне с 30 октября по 10 ноября 2002 года по программе 4-й экспедиции посещения МКС. Выполнив необходимые исследования и испытания, экипаж возвратился на Землю на ТПК «Союз ТМ-34».

В третий раз Юрий Лончаков отправился в космос 12 октября 2008 года командиром корабля «Союз ТМА-13»  и бортинженером 18-й основной экспедиции МКС вместе с Майклом Финком и Ричардом Гэрриоттом. Во время полета выполнил два выхода в открытый космос общей продолжительностью 10 часов 25 минут. Космонавтами была смонтирована и установлена аппаратура для выполнения научных экспериментов. Спускаемый аппарат корабля «Союз ТМА-13» с экипажем на борту вернулся на Землю 8 апреля 2009 года. Продолжительность полета составила 178 суток.

За успешное осуществление космических полетов Ю.В. Лончаков был удостоен звания Героя Российской Федерации.

С 2003 года по 2011 год Юрий Валентинович занимал пост командира отряда космонавтов ЦПК имени Ю.А. Гагарина, затем приступил к подготовке к космическому полету в составе экипажа.