Seleccionado por la NASA en diciembre de 1994, Bloomfield informó al Centro Espacial Johnson en marzo de 1995. Trabajó como Jefe de Seguridad de la Oficina de Astronautas, Instructor Jefe de Astronauta, Director de Operaciones de Transbordadores y Jefe de la Rama de Transbordadores, que supervisa todos los aspectos técnicos del Transbordador. cuestiones para la Oficina de Astronautas.

Primero voló como piloto a bordo de STS-86 en 1997, donde atracó con la estación espacial Mir . Bloomfield también pilotó STS-97 en 2000 y comandó STS-110 en 2002, ambas misiones a la Estación Espacial Internacional .

Bloomfield se ha desempeñado como Director Adjunto de Operaciones de Tripulación de Vuelo en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas desde 2006, antes de renunciar a la NASA en julio de 2007. Michael luego se convirtió en Vicepresidente del Programa Constellation de ATK .