En mayo de 1999 fue miembro de la tripulación del Discovery STS-96 que ejecutó el primer acoplamiento a la Estación Espacial Internacional (ISS). La ISS entonces constaba de solo dos módulos, el ruso Zarya y el American Unity. Discovery llevó suministros a la ISS para prepararla para que los astronautas se quedaran allí. También llevaba dos grúas para sujetar al exterior de la estación que se usarían en la construcción del resto de la estación. Dos astronautas, Tamara Jernigan y Daniel Barry, realizaron una caminata espacial de casi ocho horas para instalar las grúas mientras Ochoa los ayudaba con el brazo robótico del Discovery. Ochoa regresó a la ISS en abril de 2002 en la misión STS-110 del transbordador Atlantis. Se agregó la primera armadura, que formó el marco de la ISS; Ochoa y el astronauta Daniel Bursch utilizaron el brazo robótico de la estación para sacar la armadura de la bahía de carga útil de Atlantis y conectarla a la estación. En sus cuatro vuelos espaciales, Ochoa pasó más de 40 días en el espacio.
En 2007, Ochoa se convirtió en subdirectora del Centro Espacial Johnson en Houston, Texas, y seis años después fue ascendida a directora. Fue la segunda mujer en ocupar el cargo y la primera hispana. Durante su mandato, supervisó notablemente el trabajo en el Orion, que estaba programado para viajar más lejos que otras naves espaciales tripuladas, lo que permitió la exploración humana de destinos como Marte. Ochoa se retiró del Johnson Space Center en 2018 para convertirse en vicepresidente de la National Science Board (NSB), que dirige la National Science Foundation. Se convirtió en presidenta de NSB en 2020.