学毕业后，向井千秋成为庆应义塾大学首位女外科医生。她之后曾担任静冈县清水总医院普通外科（1978年）、神奈川县济生神奈川县医院急诊外科（1979年）、栃木县宇都宫济生医院心血管外科等职务（1982年）。在1981年，向井千秋担任因主动脉夹层住院的石原裕次郎的主治医师。
太空任务.1983年，向井千秋参加宇宙航空研究开发机构宇航员招聘。1985年8月10日，向井千秋与土井隆雄成功获选为宇航员，担任搭乘科学技术人员，也是STS-47发射任务（太空实验室）的有效载荷专家候选人之一。根