I maj 1999 var hon medlem av Discovery STS-96-besättningen som utförde den första dockningen till den internationella rymdstationen (ISS). ISS bestod då av endast två moduler, den ryska Zarya och den amerikanska enheten. Discovery transporterade leveranser till ISS för att göra det redo för astronauter att stanna där. Den bar också två kranar för att fästa på stationens exteriör som skulle användas för att bygga resten av stationen. Två astronauter, Tamara Jernigan och Daniel Barry, utförde en nästan åtta timmars rymdvandring för att installera kranarna medan Ochoa hjälpte dem med Discoverys robotarm. Ochoa återvände till ISS i april 2002 på STS-110-uppdraget för skytteln Atlantis. Det första fackverket, som bildade ISS: s ram, lades till; Ochoa och astronauten Daniel Bursch använde stationens robotarm för att lyfta fackverket ur Atlantis nyttolast och fästa det på stationen. På sina fyra rymdflygningar tillbringade Ochoa mer än 40 dagar i rymden.
2007 blev Ochoa biträdande chef för Johnson Space Center i Houston, Texas, och sex år senare befordrades hon till regissör. Hon var den andra kvinnan som hade tjänsten och den första spansktalande. Under sin tid var hon särskilt övervakad av arbetet på Orion, som planerades att resa längre än andra bemannade rymdfarkoster, vilket möjliggjorde mänsklig utforskning av destinationer som Mars. Ochoa gick i pension från Johnson Space Center 2018 för att bli vice ordförande för National Science Board (NSB), som driver National Science Foundation. Hon blev NSB-ordförande 2020.