I mai 1999 var hun medlem av Discovery STS-96-mannskapet som utførte den første dockingen til den internasjonale romstasjonen (ISS). ISS besto da bare av to moduler, den russiske Zarya og den amerikanske enheten. Discovery bar forsyninger til ISS for å gjøre det klart for astronauter å bo der. Den bar også to kraner for å feste til stasjonens utvendig som skulle brukes til å bygge resten av stasjonen. To astronauter, Tamara Jernigan og Daniel Barry, utførte en nesten åtte timers romvandring for å installere kranene mens Ochoa hjalp dem med Discoverys robotarm. Ochoa kom tilbake til ISS i april 2002 på STS-110-oppdraget til skyttelbussen Atlantis. Det første fagverket, som dannet ISS-rammen, ble lagt til; Ochoa og astronaut Daniel Bursch brukte stasjonens robotarm til å løfte fagverket ut av Atlantis nyttelast og feste det til stasjonen. På sine fire romfarter tilbrakte Ochoa mer enn 40 dager i verdensrommet.
I 2007 ble Ochoa viseadministrerende direktør for Johnson Space Center i Houston, Texas, og seks år senere ble hun forfremmet til direktør. Hun var den andre kvinnen som hadde stillingen og den første spansktalende. I løpet av sin periode hadde hun særlig tilsyn med arbeidet med Orion, som var planlagt å reise lenger enn annet bemannet romfartøy, noe som tillot menneskelig utforskning av destinasjoner som Mars. Ochoa trakk seg fra Johnson Space Center i 2018 for å bli nestleder i National Science Board (NSB), som driver National Science Foundation. Hun ble NSB-leder i 2020.