Sélectionné en tant que spationaute par le CNES en 1985, il supervise la Division Vols Habités au sein de la Direction Hermès et Vols Habités de 1986 à 1989. A ce titre, il participe aux études préliminaires de l'avion spatial Hermès.

D'autre part, il développe et met au point le programme Caravelle Zéro G (vol parabolique) dont il devient ensuite le responsable technique et opérationnel.

En décembre 1990, il est désigné comme doublure de Michel Tognini pour le vol spatial franco-russe Antarès et suit un entraînement à la Cité des Étoiles près de Moscou.

De novembre 1992 à juin 1993, désigné membre de la 4ème mission spatiale franco-russe dénommée ALTAÏR, il s'entraîne à la mise en œuvre d'une dizaine d'expériences scientifiques relatives aux sciences de la vie, au comportement de fluides et matériaux en micropesanteur ainsi qu'à des recherches à caractère technologique.

En mai 1998, Jean-Pierre HAIGNERÉ est sélectionné comme membre du Corps européen des astronautes de l’Agence spatiale européenne ; il est mis à la disposition du CNES comme spationaute expérimentateur et ingénieur de bord de l'équipage titulaire désigné pour la mission franco-russe PERSEUS qui s'est déroulée à bord de la station spatiale Mir du 22 février au 28 août 1999. Cette mission de longue durée (186 jours) comportait en outre une sortie extra-véhiculaire.

A l'issue de ce vol, Jean-Pierre Haigneré rejoint le Centre des astronautes européens à Cologne en Allemagne en tant que Chef des astronautes de l'ESA.