作为载荷专家入选为中国第三批航天员。2022年6月，入选神舟十六号载人飞行任务乘组。[4]2023年5月30日9时31分，桂海潮作为神舟十六号乘组航天员，乘坐搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射[5]，桂海潮在神舟十六号载人飞行任务中主要负责空间科学实验载荷的在轨操作[6][7]；同日16时29分，桂海潮和景海鹏、朱杨柱随神舟十六号载人飞船入轨后，成功对接于空间站天和核心舱径向端口，整个对接过程历时约6.5小时。[3][8]6月2日，桂海潮随神舟十六号航天员乘组与神舟十五号航天员乘组进行交接仪式。
作为一名年仅36岁的中国首位非飞行员航天员，桂海潮的此次上天，创下了中国航天史上多个“第一次”。再加上从小山村走出来的大学生的身份，很自然的，桂海潮也就成为了外界的焦点，家乡的骄傲。
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黑瘦的脸上洋溢着自信的笑容，桂海潮深有感触地说，“能将自己的专业知识学以致用，参与到载人航天事业中是一件幸福的事。保持好奇心、探索未知是我前行的动力。”