W maju 1999 r. była członkiem załogi Discovery STS-96, która dokonała pierwszego dokowania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). ISS składała się wtedy tylko z dwóch modułów, rosyjskiej Zarii i amerykańskiej jedności. Discovery dostarczyło materiały do ISS, aby przygotować ją dla astronautów do pozostania tam. Przewoził również dwa dźwigi do przymocowania do zewnętrznej części stacji, które zostaną wykorzystane do budowy pozostałej części stacji. Dwóch astronautów, Tamara Jernigan i Daniel Barry, wykonali prawie ośmiogodzinny spacer kosmiczny, aby zainstalować dźwigi, podczas gdy Ochoa pomagał im za pomocą robota Discovery. Ochoa powrócił na ISS w kwietniu 2002 r. Na misji STS-110 promu Atlantis. Dodano pierwszą kratownicę, która tworzyła ramę ISS; Ochoa i astronauta Daniel Bursch użyli ramienia robota stacji, aby wyciągnąć kratownicę z ładowni Atlantydy i przymocować ją do stacji. Podczas swoich czterech lotów kosmicznych Ochoa spędziła ponad 40 dni w kosmosie.
W 2007 roku Ochoa została zastępcą dyrektora Johnson Space Center w Houston w Teksasie, a sześć lat później awansowała na stanowisko dyrektora. Była drugą kobietą na tym stanowisku i pierwszą Latynoską. Podczas swojej kadencji szczególnie nadzorowała prace nad Orionem, który miał podróżować dalej niż inne statki kosmiczne z załogą, umożliwiając ludziom eksplorację takich miejsc jak Mars. Ochoa przeszedł na emeryturę z Johnson Space Center w 2018 roku, aby zostać wiceprzewodniczącym National Science Board (NSB), która kieruje National Science Foundation. Została przewodniczącą NSB w 2020 roku.