پولیاکوف در ۲۲ مارس ۱۹۷۲ به‌عنوان فضانورد گروه پزشکی انتخاب شد. اولین پرواز او به فضا با سایوز TM-۶ در سال ۱۹۸۸ انجام شد.
پس از اقامت در ایستگاه فضایی میر و انجام تحقیقات به مدت ۲۴۰ روز، پولیاکوف با سایوز ۷-TM به زمین بازگشت. اولین کلمه او پس از بازگشت این بود: «ما می‌توانیم به مریخ پرواز کنیم.»
بیشتر بخوانید:
دومین پرواز فضایی پولیاکوف، طولانی‌ترین پرواز فضایی بشر در تاریخ است که در ۸ ژانویه ۱۹۹۴ با پرتاب مأموریت سایوز TM-۱۸ آغاز شد. او تقریباً ۴۳۷ روز را در میر گذراند و آزمایش‌ها و تحقیقات علمی انجام داد.
در طول این پرواز، او بیش از ۷۰۰۰ دور زمین را انجام داد. در ۹ ژانویه ۱۹۹۵، پس از ۳۶۶ روز در فضا، پولیاکوف به‌طور رسمی رکورد مدت زمان پرواز فضایی را که قبلا توسط ولادیمیر تیتوف و موسی ماناروف شش سال قبل ثبت شده بود، شکست.
او در ۲۲ مارس ۱۹۹۵ سوار بر سایوز TM-۲۰ به زمین بازگشت. پس از فرود، پولیاکوف تصمیم گرفت که چند فوتی بین کپسول سایوز و چمنزاری در آن نزدیکی حمل نشود، بلکه مسافت کوتاهی را پیاده طی کند.
با انجام این کار، او می‌خواست ثابت کند که انسان‌ها از نظر فیزیکی می‌توانند پس از یک مرحله گذر طولانی‌مدت روی سطح مریخ کار کنند.
بیشتر بخوانید:
۵۸۵۸