Investigó en el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas y fue seleccionado por NASDA como candidato a astronauta en 1985 para el programa espacial tripulado japonés, al tiempo que realizaba investigaciones en los Estados Unidos en el Centro de Investigación Lewis de la NASA y en la Universidad de Colorado en Boulder.

Doi voló como especialista en misiones a bordo del STS-87 en 1997, durante el cual se convirtió en el primer astronauta japonés en realizar un paseo espacial.

Obtuvo un doctorado en 1983 en la Universidad de Tokio, y también un doctorado en Astronomía en la Universidad de Rice en 2004.

La STS-123 entregó el primer módulo del laboratorio japonés, Kibō, y el robot canadiense Dextre a la estación espacial.

Durante esta misión, se convirtió en la primera persona en lanzar un bumerán al espacio que había sido diseñado específicamente para su uso en microgravedad durante los vuelos espaciales.