In mei 1999 maakte ze deel uit van de Discovery STS-96-bemanning die voor het eerst aanmeerde bij het International Space Station (ISS). Het ISS bestond toen uit slechts twee modules, de Russische Zarya en de Amerikaanse Eenheid. De Discovery bracht voorraden naar het ISS om het klaar te maken voor astronauten om daar te blijven. Het droeg ook twee kranen om aan de buitenkant van het station te bevestigen die zouden worden gebruikt bij de bouw van de rest van het station. Twee astronauten, Tamara Jernigan en Daniel Barry, voerden een ruimtewandeling van bijna acht uur uit om de kranen te installeren, terwijl Ochoa hen assisteerde met de robotarm van Discovery. Ochoa keerde in april 2002 terug naar het ISS voor de STS-110-missie van de shuttle Atlantis. De eerste truss, die het frame van het ISS vormde, werd toegevoegd; Ochoa en astronaut Daniel Bursch gebruikten de robotarm van het station om de truss uit de laadruimte van Atlantis te tillen en aan het station te bevestigen. Tijdens haar vier ruimtevluchten bracht Ochoa meer dan 40 dagen door in de ruimte.
In 2007 werd Ochoa adjunct-directeur van het Johnson Space Center in Houston, Texas, en zes jaar later werd ze gepromoveerd tot directeur. Ze was de tweede vrouw die de post bekleedde en de eerste Hispanic. Tijdens haar ambtsperiode hield ze met name toezicht op het werk aan de Orion, die volgens de planning verder zou reizen dan andere bemande ruimtevaartuigen, waardoor menselijke verkenning van bestemmingen als Mars mogelijk was. Ochoa ging in 2018 met pensioen bij het Johnson Space Center om vice-voorzitter te worden van de National Science Board (NSB), die de National Science Foundation leidt. Ze werd NSB-voorzitter in 2020.