1999年5月、彼女は国際宇宙ステーション(ISS)への最初のドッキングを実行したDiscoverySTS-96クルーのメンバーでした。 ISSは、ロシアのザーリャとアメリカのユニティの2つのモジュールのみで構成されていました。ディスカバリーは、宇宙飛行士がそこにとどまる準備をするためにISSに物資を運びました。また、ステーションの残りの部分を構築するために使用されるステーションの外部に取り付けるための2つのクレーンも搭載していました。タマラ・ジャーニガンとダニエル・バリーの2人の宇宙飛行士が、クレーンを設置するために約8時間の船外活動を行い、オチョアはディスカバリーのロボットアームで彼らを支援しました。オチョアは2002年4月にシャトルアトランティスのSTS-110ミッションでISSに戻りました。 ISSのフレームを形成する最初のトラスが追加されました。オチョアと宇宙飛行士のダニエルバーシュは、ステーションのロボットアームを使用して、トラスをアトランティスのペイロードベイから持ち上げ、ステーションに取り付けました。オチョアは4回の宇宙飛行で、40日以上宇宙で過ごしました。
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2007年、オチョアはテキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターの副所長になり、6年後に所長に昇進しました。彼女はポストを保持する2番目の女性であり、最初のヒスパニックでした。彼女は在職中、他の有人宇宙船よりも遠くまで移動する予定だったオリオン座の作業を特に監督し、火星などの目的地を人間が探索できるようにしました。オチョアは2018年にジョンソン宇宙センターを退職し、国立科学財団を運営する国家科学委員会(NSB)の副議長になりました。彼女は2020年にNSBの議長になりました。