NASA

En 2009, el entonces presidente Barack Obama lo eligió como administrador de la NASA.
Bolden junto al administrador de la CONAE Conrado Varotto
En junio de 2010, en una entrevista ante Al Jazeera, Bolden dijo que los tres objetivos principales que le asignó el presidente Obama eran re inspirar a los niños para que se interesen en la ciencia y la matemática, expandir las relaciones internacionales de la NASA y llegar al mundo islámico para "ayudarles a sentirse bien acerca de su contribución histórica a la ciencia ... y las matemáticas y la ingeniería".
Durante su administración, el enfoque a largo plazo de la NASA fue la colonización de Marte4 y se opuso al recorte de presupuesto de esta.
El 28 de agosto de 2012, Bolden se convirtió en la primera persona en tener su voz transmitida hacia la superficie de Marte. Aunque el rover no tenía un altavoz, recibió la señal de la voz y la retransmitió hacia la tierra.
En octubre de 2015, Bolden presentó planes de la NASA para un viaje tripulado a Marte.
Con el fin del mandato de Barack Obama, Bolden renunció al cargo para dejar terreno ante una nueva administración por parte de Donald Trump, quedando a cargo de la NASA de manera interina el ingeniero Robert M. Lightfoot, Jr. Su sucesor, Jim Bridenstine sería aprobado por el Senado de los Estados Unidos 423 días después de su renuncia, el 19 de marzo de 2018.