1989年から1993年まで、ウィットソンはNASAで生化学の研究を行った。1991年から1992年までは、STS-47に積まれるペイロードの開発に携わった。1992年にはシャトル・ミール・プログラムの要員に選ばれ、1995年まで務めた。1995年から1996年までは、アメリカとロシアのミッションワーキンググループの共同議長を務めた。1996年4月、ウィットソンは宇宙飛行士の候補に選ばれ、1996年8月から訓練を開始した。2年間の訓練と評価を終えると、宇宙飛行士室の作戦計画部に配属され、1998年から1999年までロシアで乗組員テストサポートチームを率いた。2003年11月から2005年3月まで、宇宙飛行士室の副室長を務めた。2005年11月から2006年9月までは、第14次長期滞在のバックアップ機長としての訓練を受け、第16次長期滞在の機長に選ばれて2007年10月にソユーズTMA-11で打上げられた。第16次長期滞在で、彼女はスニータ・ウィリアムズを抜き、女性として最多の宇宙遊泳回数を達成した。
フェローの研究を終えると、彼女はテキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターで働き始めた。1988年4月から1989年9月まで、NASAの生化学分野の契約先であるKRUG Internationalで、生化学研究者のチームの監督を務めた。1991年から1997年まで、テキサス州ガルベストンのテキサス大学医学部に内科学、人間生化学、遺伝学の非常勤助教授として招かれた。1997年にはライス大学で生化学、遺伝子工学の非常勤助教授となった。1992年から1995年にかけて、彼女はシャトル・ミール・プログラムのために働き、1996年に宇宙飛行士候補に選ばれるまでジョンソン宇宙センターの医科学部門の副部門長を務めた。
ウィットソンはアイオワ州マウント・エアーで生まれ、アイオワ州ビーコンスフィールド郊外の農場で育った。ウィットソンは1978年にマウント・エアー・コミュニティ高校を卒業し、1981年にアイオワ ウェスレヤン・カレッジで生物学と化学の学士号を取得した。その後1985年にライス大学で化学の博士号を取得し、1986年10月までフェローとして研究に従事した。彼女はクラレンス・サムズ博士と結婚している。
別名、鬼界ケ島とも呼ばれる硫黄島（薩摩硫黄島）は、古くから活発な火山活動を続ける火山島であり、現在も周囲の海域では温泉湧出による変色域が多数見られ、島の玄関港である硫黄島港は、鉄分を大量に含んだ温泉水により常に海水が茶褐色に染められている。1934年（昭和9年）9月6日または12日、地震活動が硫黄島周辺で活発になり、海水の沸騰や火山灰の浮遊、海水混濁が見られ、20日には噴煙が立ち上り火山性の軽石が観察されるなど本格的な海底火山活動が始まった。12月7日に新島が出現し、12月23日には高さ約20-30メートルの火口丘が確認され、直後に一旦海中に没し消滅したものの、翌1935年（昭和10年）1月5日に再び新島が出現した。その後は溶岩流などが生じ陸地が形成され、新島は安定的に成長を続けた。噴火活動が落ち着いた3月8日には硫黄島の住民が新島に上陸しており、4月1日に行われた調査では、噴火活動はほとんど終息していることが確認された。
鹿児島県薩摩半島南端より南へ約30kmの洋上、通称上三島、三島村に属する薩摩硫黄島の東、約2kmの海上に位置しており、周囲1.3km、面積0.07km²、最高地点標高26mの流紋岩質の溶岩で覆われた無人島である。
鹿児島県出身。役場書記・中薗平左衛門の三男として生まれる。川辺中学を経て、1912年（明治45年）5月、陸軍士官学校（24期）を卒業。同年12月、砲兵少尉に任官し野砲兵第6連隊付となる。1915年（大正4年）12月、陸軍砲工学校高等科を卒業。大阪砲兵工廠員、陸士生徒隊付などを経て、1922年（大正11年）11月、陸軍大学校（34期）を卒業した。翌月、野砲兵第6連隊中隊長に就任。1923年（大正12年）12月、参謀本部付勤務となり、参謀本部員、第15師団参謀、第3師団参謀、陸軍野戦砲兵学校教官を歴任し、1927年（昭和2年）7月、砲兵少佐に昇進。1930年（昭和5年）12月、陸大専攻学生となり、野砲兵第6連隊付、混成第8旅団参謀を経て、1932年（昭和7年）4月、砲兵中佐に進級。1933年（昭和8年）12月、第4師団参謀に就任し、第16師団留守参謀、陸大教官を歴任し、1935年（昭和10年）12月、砲兵大佐に昇進。1937年（昭和12年）8月、兵科を航空兵科に転じ航空兵大佐となり浜松陸軍飛行学校教官に就任。同年11月、飛行第6大隊長に転じ、飛行第7連隊長を経て、1938年（昭和13年）8月、飛行第60戦隊長となり日中戦争に出征。同年12月、浜松飛行学校付に転じ帰国。1939年（昭和14年）3月、陸軍少将に進級。同年7月、第1飛行団長に発令され、水戸陸軍飛行学校長を経て、1941年（昭和16年）10月、陸軍中将に進み陸軍航空技術学校長となる。太平洋戦争には、1942年（昭和17年）7月、第3飛行師団長として出征。1943年（昭和18年）9月、搭乗機が広東上空で撃墜され戦死した。