Анатолий Перминов возглавил Федеральное космическое агентство 12 марта 2004 года. Во время его руководства Роскосмос сохранял мировое лидерство по числу космических пусков. Так, всего с 2004 по 2011 год было запущено 192 ракеты-носителя. С 2004 по 2008 год количество запусков ракет-носителей возрастало на один в год — с 23 до 27. В 2009 году было проведено 32 пуска, в 2010-м — 31, один из которых был неудачным. За свой вклад в развитие космонавтики награжден орденами «За заслуги перед отечеством» IV степени и III степени, другими наградами. Кроме того, президент Франции присвоил ему звание офицера государственного ордена Почетного Легиона за большой вклад в создание ракетно-космического комплекса в Гвианском космическом центре.
Анатолий Перминов запомнился и рядом неудач. В частности, еще в январе 2006 года он утверждал, что для доводки баллистической ракеты «Булава» достаточно 12–14 испытательных пусков. Однако из уже проведенных на данный момент 14 пусков лишь 4 были удачными и 3 — «частично успешными». В июне 2010 года Анатолий Перминов сообщал, что полное развертывание орбитальной системы ГЛОНАСС завершится до конца года. Однако 5 декабря 2010 года в результате неудачного пуска Россия потеряла сразу три космических аппарата ГЛОНАСС-М, сам глава Роскосмоса получил выговор за ошибки при организации запуска. Последней неудачей стал перенос с 30 марта на 5 апреля юбилейного запуска космического корабля «Союз ТМА-21» из-за выявленного дефекта в работе одной из систем корабля.