В 1962 году НАСА зачислен в группу астронавтов второго набора.
Совершил 4 космических полета:
Первый полет с 21 по 28 августа 1965 году в качестве пилота миссии «Джемини V».
Второй полет с 12 по 15 сентября 1966 года в качестве командира корабля «Джемини-11».
В ноябре 196 9 года, через несколько месяцев после исторической посадки на Луну космического корабля «Аполлон-11», на Луну отправляется «Аполлон-12» для проведения географических и других научных исследований. Командиром «Аполлона-12» был Чарлз Конрад, пилотом командного модуля — Ричард Гордон и пилотом лунного модуля — Алан Бин. Конрад был третьим человеком, ступившим на поверхность Луны (до него это были Нил Армстронг и Эдвин Олдрин). Он провел на поверхности спутника Земли в общей сложности восемь часов. Всего же экипаж «Аполлона-12» пробыл на Луне свыше суток, собрал и доставил на Землю 34 килограмма лунной породы. За этот полёт Конрад был нагр аждён медалью НАСА «За выдающиеся заслуги» в 1970 году.
После полета на Луну участвовал в работе над первой американской орбитальной станцией «Скайлэб». Командир миссис «Скайлэб-2» — первой экспедиции на станцию. Полет продолжался 28 суток (с 24 мая по 22 июня 1973).
8 июля 1999 года в результате мотоциклетной катастрофы на горной дороге в штате Калифорния 69-летний Конрад получил ранения в области груди и живота, от которых вскоре скончался в госпитале. В декабре 2002 года в США учреждены премии имени Чарлза Конрада для астрономов-любителей за открытие астероидов, орбиты которых проходят в непосредственной близости от орбиты Земли