Em maio de 1999, ela foi membro da tripulação do Discovery STS-96 que executou a primeira atracação na Estação Espacial Internacional (ISS). A ISS, então, consistia em apenas dois módulos, o russo Zarya e a unidade americana. A Discovery levou suprimentos para a ISS para deixá-la pronta para os astronautas ficarem lá. Também carregava dois guindastes para anexar ao exterior da estação que seriam usados na construção do restante da estação. Dois astronautas, Tamara Jernigan e Daniel Barry, realizaram uma caminhada espacial de quase oito horas para instalar os guindastes enquanto Ochoa os ajudava com o braço robótico do Discovery. Ochoa voltou para a ISS em abril de 2002 na missão STS-110 do ônibus espacial Atlantis. A primeira treliça, que formou a estrutura da ISS, foi adicionada; Ochoa e o astronauta Daniel Bursch usaram o braço robótico da estação para levantar a treliça do compartimento de carga do Atlantis e prendê-la à estação. Em seus quatro voos espaciais, Ochoa passou mais de 40 dias no espaço.
Em 2007, Ochoa se tornou vice-diretora do Johnson Space Center em Houston, Texas, e seis anos depois foi promovida a diretora. Ela foi a segunda mulher a ocupar o cargo e a primeira hispânica. Durante seu mandato, ela supervisionou notavelmente o trabalho no Orion, que estava programado para viajar mais longe do que outras espaçonaves tripuladas, permitindo a exploração humana de destinos como Marte. Ochoa se aposentou do Johnson Space Center em 2018 para se tornar vice-presidente do National Science Board (NSB), que administra a National Science Foundation. Ela se tornou presidente do NSB em 2020.