બાદમાં તેમણે નાસા એમ્સ સંશોધન કેન્દ્ર પર કામ કરવાનું શરૂ કર્યું. જ્યાં તેણીએ વર્ટિકલ લઘુ ટેકઓફ અને લેન્ડિંગ ખ્યાલો પર CFD સંશોધન કર્યું. ૧૯૯૪માં નાસાએ કલ્પનાની અંતરીક્ષયાત્રી તરીકે પસંદગી કરી ત્યારબાદ કલ્પના ચાવલા માર્ચ ૧૯૯૫માં નાસાના અવકાશયાત્રી કોર્પ્સ જોડાયા હતા અને તે ૧૯૯૬માં પ્રથમ ઉડાન માટે પસંદ થયા. તેમનું પ્રથમ અવકાશી મિશન ૧૯ નવેમ્બરથી ૫ સપ્ટેમ્બર ૧૯૯૭ સુધી એસટીએસ ૮૭ ઉપર પ્રાઇમ રોબોટીક આર્મ આપરેટર તરીકે ફરજ બજાવી. છ અવકાશયાત્રી સાથે સ્પેસ શટલ કોલંબીયા એસટીએસ-૮૭માં ફ્લાઇટ ઉડાન ભરી. કલ્પના ચાવલા પ્રથમ ભારતીય મહિલા અને બીજી ભારતીય અંતરિક્ષયાત્રી વ્યક્તિ હતી. તેના પ્રથમ અવકાશ મિશનમાં ચાવલાએ પૃથ્વીની ૨૫૨ ભ્રમણકક્ષામાં ૧૦.૪ કરોડ માઇલની મુસાફરી કરી અને ૩૭૨ કલાક કરતાં વધુ અવકાશમાં રહ્યા હતા. એસટીએસ-૮૭ પોસ્ટ ફ્લાઇટ પ્રવૃત્તિઓ પૂર્ણ થયા પછી, ચાવલાને અવકાશયાત્રી કચેરીમાં સ્પેસ સ્ટેશન પર તકનિકી કામગીરી સોંપવામાં આવી હતી. ૨૦૦૦માં તેણીએ એસટીએસ-૧૦૭ની ટુકડીના ભાગરૂપે બીજા ઉડ્ડયન માટે પસંદ કરવામાં આવી હતી.