Le 14 mars 2017, SergueÏ Mikaïev a déposé une candidature pour participer au nouveau recrutement du corps des cosmonautes du Centre d'entraînement des cosmonautes Youri-Gagarine. Le 23 avril 2018, il a reçu l'approbation de la commission médicale principale. Le 9 août 2018, sa candidature a été examinée par la commission de sélection et, le 10 août 2018, il a été nommé candidat cosmonautes par la commission interagences.
Le 12 novembre 2018, il a été transféré au Centre d'entraînement des cosmonautes Youri-Gagarine, intégré dans le corps des cosmonautes, et a commencé sa formation spatiale générale.
Le 22 janvier 2019, dans le cadre d'un équipage de formation avec Konstantin Borissov et Oleg Platonov, il a commencé les entraînements de survie en forêt marécageuse en hiver (« survie hivernale »).
Du 26 au 30 août, avec un groupe de candidats cosmonautes, il a suivi une formation de plongeur au centre de secours de Noguinsk du ministère des Situations d'urgence de Russie. Le 30 août 2019, il a réussi l'examen et a obtenu la qualification de plongeur.
En octobre 2019, dans le cadre d'un équipage de formation avec Denis Matveïev et Oleg Platonov, il a suivi le cycle complet de « survie en mer » (formations « sèche », « longue » et « courte ») à la base du Terminal maritime universel « Imeretinsky » sur la mer Noire dans le district d'Adler à Sotchi.
Le 25 novembre 2020, il a passé l'examen d'État à l'issue du cours de formation spatiale générale.
Le 2 décembre 2020, par décision de la commission de qualification interagences (MVKK) à l'issue de la réunion au Centre d'entraînement des cosmonautes Youri-Gagarine, il a été qualifié comme cosmonaute de test.
Le 20 janvier 2022, lors de la réunion de la commission interagences, il a été approuvé en tant qu'ingénieur de bord de l'équipage principal de l'Expédition 71. En février 2022, dans le cadre d'un équipage de formation avec Alexander Gorbounov et Alexeï Zoubritski, il a participé à une formation de survie après un atterrissage d'urgence de l'engin spatial dans la steppe en hiver. En juin 2022, l'équipage de l'Expédition 71 composé de Sergueï Ryjikov, Sergueï Mikaïev et Alexandre Grebionkine a participé à des entraînements de survie après un atterrissage du vaisseau spatial sur une surface aquatique. Le 14 février 2023, l'équipage, dans la même composition, avec l'astronaute Donald Pettit, a pratiqué des compétences de survie en forêt en hiver.
En mai 2023, le site du Centre d'entraînement des cosmonautes Youri-Gagarine a annoncé que Sergueï Mikaïev était en cours de préparation en tant qu'ingénieur de bord de l'équipage de réserve de l'Expédition 72 et de l'équipage principal de l'Expédition 73[3].
Mikaïev effectue sa première mission dans l'espace en tant qu'ingénieur de vol de l'Expédition 74 de l'ISS. Il décolle sur le Soyouz MS-28 le 27 novembre 2025, en compagnie des cosmonautes Sergueï Koud-Skvertchkov et Christopher Williams. Après leur lancement depuis le cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan, le trio passera environ huit mois à bord du laboratoire orbital[4]. Au cours de cette expédition, Williams réalisera des investigations scientifiques et des démonstrations technologiques visant à préparer les futures missions spatiales humaines et à profiter à l'humanité[4].
