Licenciou-se em Engenharia Mecânica e Engenharia de Sistemas na Universidade do Texas e no Instituto de Tecnologia da Força Aérea em 1981.
Deixou a activa em 1991, para integrar os quadros de astronauta da NASA. Tinha chegado ao posto de tenente-coronel e acumulado mais de mil horas de voo em diferentes aeronaves.
Sonhando tornar-se astronauta desde criança, devido à popularidade das missões Apollo à Lua nos anos 1960 e 1970 entre a juventude do país, Fossum realizou o seu sonho ao ser indicado pela Força Aérea para trabalhar no Centro Espacial Johnson, sede da NASA, no começo dos anos 1990.
A sua carreira activa na agência espacial começou em 1993, quando usou os seus conhecimentos de engenharia para avaliação técnica da nave espacial soviética Soyuz como espaçonave de resgate de emergência para a Estação Espacial Internacional.
Em Agosto de 1998, foi seleccionado para a equipa de astronautas, subindo finalmente ao espaço em Julho de 2006, a bordo da STS-121 Discovery, primeiro voo do ónibus espacial após a tragédia da Columbia, onde realizou três caminhadas no espaço para fazer reparações externos na estrutura da ISS e para testar o novo braço robótico da estação, como plataforma para auxiliar o trabalho de reparações dos astronautas em espaço aberto.
Foi ao espaço pela segunda vez como especialista de missão da STS-124 Discovery, lançada de Cabo Canaveral em 31 de Maio de 2008, e que se destinou a instalar a segunda parte do módulo japonês Kibo na ISS.
Aos 53 anos de idade, a sua terceira missão começou em 7 de Junho de 2011, como engenheiro de voo da Soyuz TMA-02M depois de duas missões nos ónibus espaciais da NASA, lançada do Cosmódromo de Baikonur para uma permanência de cerca de seis meses no espaço, como integrante das Expedições 28 e 29 - esta como comandante - na ISS. Voltou à Terra em 22 de Novembro de 2011, com a aterragem da TMA-02M e dos seus três tripulantes - Fossum, Sergei Volkov e Satoshi Furukawa - nas estepes do Cazaquistão, após mais de 200 dias em órbita terrestre.
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