Nach dem Abitur 1970 am Hansa-Gymnasium in Köln diente Hans Schlegel zwei Jahre in der Bundeswehr, wo er zum Fallschirmjäger ausgebildet wurde. Ab 1972 studierte er Physik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und erhielt 1979 das Diplom. Bis 1986 blieb Schlegel als wissenschaftlicher Angestellter an der RWTH. Dann wechselte er in die freie Wirtschaft und arbeitete als Verfahrenstechniker am „Institut Dr. Förster GmbH & Co. KG“ in Reutlingen.
Er war einer von 61 europäischen Kandidaten bei der ESA-Auswahl von 1991 (einer von fünf deutschen Kandidaten) und stand auf einer Liste von 25 Bewerbern, aber damals nicht ausgewählt. Er besitzt eine Lizenz als Privatpilot.
Nach der Auflösung des deutschen Raumfahrerteams wurde Hans Schlegel am 01. August 1998 in das Astronautenkorps der Europäischen Weltraumorganisation eingegliedert. Schon kurz darauf schickte ihn die ESA nach Houston in die USA, wo er ab 24. August 1998 im Johnson Space Center (JSC) zum Space-Shuttle-Missionsspezialisten ausgebildet wurde. Nach erfolgreichem Abschluss im August 1999 blieb Hans Schlegel im JSC und arbeitete dort bis 2002 in der ISS-Abteilung. Anschließend setzte ihn die NASA als ISS-Capsule Communicator (CapCom) ein. In dieser Funktion war er für den Funkverkehr mit der ISS zuständig. Darüber hinaus fungierte er seit Mai 2005 als leitender ESA-Astronaut im JSC. Nach seinem zweiten Raumflug ging Hans Schlegel wieder als leitender ESA-Astronaut ans JSC der NASA zurück und bereitete dort künftige ISS-Mannschaften auf ihre Einsätze vor.
Zu seinen Hobbys zählen Ski fahren, Tauchen, Fliegen, Lesen, Handwerken. In zweiter Ehe ist er mit Heike Walpot verheiratet.