Im Mai 1999 war sie Mitglied der Discovery STS-96-Crew, die das erste Andocken an die Internationale Raumstation (ISS) durchführte. Die ISS bestand damals nur aus zwei Modulen, dem russischen Zarya und der amerikanischen Einheit. Discovery brachte Vorräte zur ISS, um sie für Astronauten vorzubereiten. Es wurden auch zwei Kräne an der Außenseite der Station angebracht, die für den Bau des restlichen Bahnhofs verwendet wurden. Zwei Astronauten, Tamara Jernigan und Daniel Barry, führten einen fast achtstündigen Weltraumspaziergang durch, um die Kräne zu installieren, während Ochoa sie mit Discoverys Roboterarm unterstützte. Ochoa kehrte im April 2002 auf der STS-110-Mission des Shuttles Atlantis zur ISS zurück. Das erste Fachwerk, das den Rahmen der ISS bildete, wurde hinzugefügt. Ochoa und der Astronaut Daniel Bursch verwendeten den Roboterarm der Station, um das Fachwerk aus der Nutzlastbucht von Atlantis zu heben und an der Station zu befestigen. Auf ihren vier Raumflügen verbrachte Ochoa mehr als 40 Tage im Weltraum.
2007 wurde Ochoa stellvertretende Direktorin des Johnson Space Center in Houston, Texas, und sechs Jahre später wurde sie zur Direktorin befördert. Sie war die zweite Frau, die den Posten innehatte, und die erste Hispanic. Während ihrer Amtszeit beaufsichtigte sie insbesondere die Arbeit am Orion, der weiter als andere Raumschiffe mit Besatzung reisen sollte, um menschliche Ziele wie den Mars zu erkunden. Ochoa zog sich 2018 aus dem Johnson Space Center zurück und wurde stellvertretender Vorsitzender des National Science Board (NSB), das die National Science Foundation leitet. Sie wurde 2020 NSB-Vorsitzende.