En mai 1999, elle était membre de l’équipage du Discovery STS-96 qui a exécuté le premier amarrage à la Station spatiale internationale (ISS). L’ISS ne se composait alors que de deux modules, le Zarya russe et l’Unité américaine. Discovery a transporté des fournitures à l’ISS pour la préparer pour que les astronautes y restent. Il transportait également deux grues à fixer à l’extérieur de la station qui seraient utilisées dans la construction du reste de la station. Deux astronautes, Tamara Jernigan et Daniel Barry, ont effectué une marche spatiale de près de huit heures pour installer les grues tandis qu’Ochoa les a aidés avec le bras robotique de Discovery. Ochoa est retourné à l’ISS en avril 2002 pour la mission STS-110 de la navette Atlantis. La première ferme, qui formait le cadre de l’ISS, a été ajoutée; Ochoa et l’astronaute Daniel Bursch ont utilisé le bras robotique de la station pour soulever la structure de la soute d’Atlantis et la fixer à la station. Lors de ses quatre vols spatiaux, Ochoa a passé plus de 40 jours dans l’espace.
En 2007, Ochoa est devenue directrice adjointe du Johnson Space Center à Houston, au Texas, et six ans plus tard, elle a été promue directrice. Elle était la deuxième femme à occuper le poste et la première hispanique. Au cours de son mandat, elle a notamment supervisé les travaux sur l’Orion, qui devait voyager plus loin que d’autres engins spatiaux avec équipage, permettant l’exploration humaine de destinations telles que Mars. Ochoa a pris sa retraite du Johnson Space Center en 2018 pour devenir vice-président du National Science Board (NSB), qui dirige la National Science Foundation. Elle est devenue présidente du NSB en 2020.