Mark Lee, der 1984 von der NASA ausgewählt wurde, schloss seine Ausbildung 1985 ab und übernahm verschiedene technische Aufgaben, unter anderem in den Bereichen Außenbordaktivitäten (EVA) und Raumstationssysteme. Lee diente als Raumschiff-Kommunikator (CAPCOM) und hatte mehrere Führungspositionen im Astronautenbüro inne.

Lees Raumfahrtkarriere umfasst vier Missionen, bei denen er über 13 Millionen Meilen zurücklegte und die Erde 517 Mal umkreiste. Er flog als Missionsspezialist auf STS-30, wo er bei der Aussetzung des Magellan-Raumschiffs zur Erforschung der Venus half, der ersten US-Mission zur Planetenforschung seit 1978. Bei STS-47 diente er als Nutzlastkommandant und beaufsichtigte 44 japanische und US-amerikanische Experimente zur Lebenswissenschaft und Materialverarbeitung.

Während STS-64 führte er den ersten ungefesselten Weltraumspaziergang seit einem Jahrzehnt durch, wobei er 6 Stunden und 51 Minuten EVA absolvierte. Seine letzte Mission, STS-82, war die zweite Wartungsmission des Hubble-Weltraumteleskops, bei der er drei Weltraumspaziergänge mit einer Gesamtdauer von 19 Stunden und 10 Minuten durchführte, um neue Spektrometer und Ersatzinstrumente zu installieren und die Isolierung des Teleskops zu verbessern.

Lee schied am 1. Juli 2001 aus der NASA und der Luftwaffe aus.