Als im Oktober 1983 bei einem Militärputsch auf der Karibikinsel Grenada Ministerpräsident Maurice Bishop ermordet wurde, landeten wenige Tage darauf Truppen der USA sowie sechs karibischer Staaten auf der Insel, um den Einfluss Kubas einzudämmen. Collins war bei dem „Operation Urgent Fury“ genannten Einsatz dabei, brachte mit ihrer C-141 Studenten und deren Familien außer Landes, und erhielt dafür auch eine Auszeichnung. 1985 nahm sie dann am Air Force Institute of Technology, das auf der Wright-Patterson Air Force Base nahe Dayton in Ohio untergebracht ist, ihr Studium wieder auf, kehrte jedoch schon bald an die Westküste zurück und machte 1986 ihren Master in Arbeitsforschung an der kalifornischen Stanford University. Zu der Zeit hatte sich Collins erstmals bei der NASA als Astronautin beworben. Als ihr Begehren abgewiesen wurde, ging sie an die USAFA nach Colorado Springs (Colorado). Dort nahm sie für drei Jahre eine Stelle als Assistenzprofessorin für Mathematik an und war auch Ausbilderin auf dem Schulungsflugzeug T-41 Mescalero. Zwischenzeitlich hatte sie selbst weiterhin die Schulbank gedrückt und 1989 an der katholischen Webster University in St. Louis (Missouri) den Master für Raumfahrtmanagement gemacht. Sie gab dann ihre Lehrtätigkeit auf und ließ sich ab Juli 1989 an der United States Air Force Test Pilot School (TPS) auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien zur Testpilotin ausbilden. Sie bekam ihr Diplom ein Jahr darauf, im Juli 1990, als Klassenbeste, als sie bereits ihren Ausbildungsvertrag als Astronautin in der Tasche hatte. Da sie sich um ihre Jahrgangskollegen und später auch um ihre Crew buchstäblich wie eine „Mutter“ kümmerte, erhielt sie auf der TPS auch ihren Rufnamen als Pilotin und Spitznamen „Mom“.