2012年3月，聂海胜入选神舟九号飞行任务备份航天员。聂海胜回忆说：“我和张晓光、王亚平是备份航天员，我们始终严格训练、刻苦磨砺，时刻准备受命出征。虽然任务总指挥部最终确定由景海鹏、刘旺、刘洋执行任务，但我们由衷地为他们感到骄傲，全力以赴做好地面支持配合工作。”
2013年，聂海胜入选神舟十号飞行乘组，上一年备份航天员都“转正”了——49岁的聂海胜与航天员47岁的张晓光、33岁的王亚平（女）搭乘神舟十号，执行天宫一号与神舟十号载人交会对接任务，获圆满成功。
2013年6月26日，神舟十号航天员张晓光、聂海胜、王亚平（从左至右）出舱
执行神十任务时，聂海胜在担任指令长的同时还承担手控交会对接的操作任务。这在我国载人航天飞行史上还是头一遭。为了顺利完成任务，聂海胜的地面模拟训练超过2000次。
值得一提的是，执行神十任务时，聂海胜成为我国飞向太空的最年长航天员，同时也是首位以将军身份进入太空的中国航天员。想不到，8年后，这一纪录被聂海胜自己再次刷新。
热爱科普的上海交大博士生
作为航天员，除了保持最佳的体能状态，还要不断充实自己的大脑。今年春天，聂海胜在57岁的年纪获得了上海交通大学航空航天学院博士研究生学位。
在2021年研究生毕业典礼暨学位授予仪式上，身着航天员制服的聂海胜以视频方式与交大师生分享。面对同届3400多名毕业生，其中包括投身国防科技事业的293人，聂海胜说，“通过在交大的求学生涯，自己实现了从专业型、实践型航天员，向研究型、学术型航天员的转变”。
聂海胜表示，未来更加有信心、有底气去迎接祖国交付的任务，包括中国空间站建设任务。同时，他也勉励今届同学顺应时代需求，积极接受祖国挑选，始终保持脚踏实地、执着向前的精气神，“勇敢地站出来，以青春之我创建青春之国家、青春之民族！”
除了在上海交大攻读博士，聂海胜自2006年以来已多次到上海参加科技节，为广大少年儿童科普中国航天员的真实工作状态。
2006年4月，聂海胜和费俊龙参加上海科技馆举行的“神六”航天展开幕式，聂海胜本人回答了许多上海中小学生“童言无忌”般的问题。
2017年5月，解放军航天员大队大队长、特级航天员聂海胜再次来到上海，参加上海科技节特别活动“与英雄航天员面对面”。
聂海胜向小观众们介绍了我国航天员的训练情况，并回顾了神舟一号至十一号的精彩历程。他说，太空中的生活多姿多彩，除了完成对接任务、科学实验以外，在空闲时间，他和同伴还会玩纸飞机、打太极拳、唱歌。而身处太空的他们，常常震撼于宇宙的广袤和美丽，“太空之迷人，非语言和照片能描述”。
