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  出生於日本東京都練馬區,就讀於神奈川縣橫濱市聖光學院高中。1998年畢業於東京大學工學院航空太空工程學專業,獲得工學學士學位。畢業後加入全日本空輸(ANA),成為波音767機型的副駕駛員。  2009年2月入選JAXA第31期宇航員培訓生,4月開始在筑波航天中心接受國際空間站基礎訓練。8月來到美國NASA休斯敦林頓·約翰遜太空中心,成為第20屆NASA宇航員訓練班的十四名成員之一,接受了模擬艙外活動、機器人、生理訓練、T-38教練機飛行和荒野生存等訓練。 2011年10月21日,他作為NEEMO水下訓練計劃的一員,在佛羅里達礁島群水下待了24個多小時,但由於颶風麗娜的影響,他們提前結束了訓練。  2016年7月6日,他與俄羅斯宇航員阿納託利·伊萬尼申和美國宇航員凱瑟琳·魯賓斯在哈薩克拜科努爾航天發射場,登上聯盟號宇宙飛船前往國際空間站。10月30日安全返回地球。

  大西卓哉愛好飛行運動、吹奏薩克斯風、看電影和遠足。
大西卓哉(1975年)是日本宇航員,也是歷史上參加太空飛行的第11名日本人。