Roku 2005 se přihlásila k výběru kosmonautů, 26. února 2006 získala souhlas Hlavní lékařské komise a 11. října 2006 ji Státní meziresortní komise doporučila k zařazení do oddílu kosmonautů RKK Eněrgija. Počínaje únorem 2007 prošla dvouletou všeobecnou kosmickou přípravou ve Středisku přípravy kosmonautů ve Hvězdném městečku a 9. června 2009 získala kvalifikaci „zkušební kosmonaut“.[2]
Dne 15. prosince 2011 byla jmenována palubní inženýrkou posádky kosmické lodi Sojuz TMA-14M a členkou Expedice 41/42 na Mezinárodní vesmírnou stanici s plánovaným startem v září 2014.[2] Jmenování oficiálně oznámil ředitel Roskosmosu Vladimir Popovkin 21. prosince 2011.[3] Do vesmíru vzlétla 25. září 2014 na palubě Sojuzu TMA-14M, s Alexandrem Samokuťajevem a Barry Wilmorem. Po necelých šesti hodinách letu se Sojuz spojil se stanicí ISS a jeho posádka se zapojila do práce Expedice 41.[4] Na ISS pracovala ve funkci palubní inženýrky. Dne 12. března 2015 se se Samokuťajevem a Wilmorem, opět v Sojuzu TMA-14M, přistála v Kazachstánu.
Serovová byla 58. žena v kosmu, ale teprve čtvrtá z Ruska/Sovětského svazu, po Těreškovové (1963), Savické (1982 a 1984) a Kondakovové (1994/95 a 1997).[5]
↑РИА Новости. Космонавт Елена Серова отправится на МКС во второй половине 2014 года [online]. космодром Байконур: РИА Новости, 2011-12-21 [cit. 2012-07-29]. Dostupné online. (rusky)
↑Holub. Rev. 2014-9-26 [cit. 2014-09-29]. Kapitola Sojuz TMA-12M.
↑МИЛКУС, Александр. Первая россиянка на МКС Елена Серова: Дочка командировала со мной зайца. Комсомольская правда [online]. 2014-9-26 [cit. 2014-10-3]. Dostupné online. (rusky)
КОВАЛЕВ, Александр. Космонавт Серова: я должна быть профессионалом, любящей женой и мамой [online]. РИА Новости, 2012-3-6 [cit. 2012-07-29]. Rozhovor s Jelenou Serovovou. Dostupné online. (rusky)
Фракция «ЕДИНАЯ РОССИЯ». Серова Елена Олеговна [online]. Фракция «ЕДИНАЯ РОССИЯ» в Государственной Думе Федерального Собрания Российской Федерации [cit. 2020-02-03]. Jelena Serovová na webu poslaneckého klubu Jednotného Ruska. Dostupné v archivu pořízeném dne 2020-02-03. (rusky)