Jean-Louis Étienne a commencé sa carrière dans l'exploration spatiale en participant à des missions terrestres de préparation aux vols spatiaux et aux programmes de formation des astronautes. Il est sélectionné pour la première fois comme astronaute CNES en 1985, mais il ne participera pas à une mission du programme spatial soviétique qu'il avait été sélectionné pour.
En 1990, Étienne a été sélectionné pour le projet Mir-Piccard et s'est envolé à bord de la station spatiale Mir en juillet 1992, où il effectue des recherches sur l'adaptation humaine à l'espace. Il s'agit du premier vol spatial français depuis les missions Spiral des années 1960 et le premier vol d'un Français depuis que la Russie a remplacé l'Union soviétique.
En 2004, Jean-Louis Étienne a été sélectionné pour participer à une mission spatiale commerciale à bord de la navette SpaceShipOne, mais la mission a finalement été annulée en raison d'une blessure subie par le pilote Michael Melvill.
Étienne a également participé à divers projets et expériences, notamment sur la durabilité des matériaux dans l'espace et la recherche sur les étoiles à neutrons. Il a également contribué au développement du projet Mars-Sim en tant que membre de l'association ARES (Agence pour les Recherches Spatiales), une organisation privée française qui cherche à envoyer humain sur la planète Mars.
Depuis sa retraite de l'activité spatiale en 2007, Jean-Louis Étienne est devenu un conférencier invité et a écrit plusieurs livres sur les aspects techniques et psychologiques des vols spatiaux et des voyages dans l'espace. Il continue à partager son expérience de l'exploration spatiale avec le public et à promouvoir la recherche et l'innovation dans ce domaine.