Nadat hij in 1986 zijn pilotentraining voltooide bij de Belgische Luchtmacht, ging Frank de Winne aan de slag als operationeel piloot. Hij vloog daarbij in een Mirage V-toestel. Hij werd in 1989 gedetacheerd bij het Franse elektronicabedrijf SAGEM in Parijs, waar hij werkte aan het verbeteren van de veiligheid van de al eerder genoemde Mirage-toestellen. Daarbij was hij verantwoordelijk voor de voorbereiding van de operationele en technische specificaties.
In december 1992 werd hij geplaatst bij de test- en evaluatietak van de Belgische Luchtmacht. Daar was hij als testpiloot betrokken bij verschillende activiteiten, zoals CARAPACE (een elektronisch oorlogsprogramma op de F16) bij Eglin Air Force Base in de Verenigde Staten. Daarnaast werkte De Winne mee aan een Self-Protection-programma voor het C130-vliegtuig. In deze periode vloog hij ook als testpiloot in verschillende toestellen.
Van januari 1994 tot april 1995 was Frank de Winne verantwoordelijk voor de vluchtveiligheid van de 1st Fighter Wing unit te Bevekom. Van april 1995 tot juli 1996 was De Winne gedetacheerd als senior testpiloot van de EPAF. In die periode werkte De Winne vanuit de Edwards Air Force Base in de Amerikaanse staat Californië aan een update voor het F16-toestel. Hij richtte zich daarbij voornamelijk op het testen van het radarsysteem.
De Winne werkte van 1996 tot augustus 1998 als senior testpiloot voor de Belgische Luchtmacht, waarbij hij verantwoordelijk was voor alle testprogramma's en alle piloot-toestelinterfaces voor toekomstige vliegtuigen en software-updates. Van augustus 1998 tot januari 2000 was Frank de Winne commandant van het 349e Smaldeel, dat gestationeerd is op de Kleine-Brogel-basis in België.
Tijdens NAVO-operatie Allied Force in de Kosovo-oorlog was De Winne commandant van de Belgisch-Nederlandse Deployable Air Task Force, die meer dan 2000 vluchten uitvoerde. De Winne zelf was betrokken bij 17 gevechtssorties.
Als piloot heeft Frank de Winne meer dan 2300 vlieguren in verschillende high-performance toestellen onder zijn riem. Onder de verschillende toestellen die De Winne vloog bevinden zich onder andere de Mirage, de F16, de Jaguar en de Tornado.
In januari van het jaar 2000 werd De Winne opgenomen in het astronautencorps van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, wier thuisbasis gelegen is in de Duitse stad Keulen. De Winne voorzag in technische ondersteuning voor de X38 Crew Return Vehicle-projectdivisie binnen de afdeling bemande ruimtevaart, gelocaliseerd in het onderzoeks- en technologiecentrum ESTEC, in het Nederlandse Noordwijk.