Ochoa ble valgt av NASA i januar 1990 og ble astronaut i juli 1991. Hennes tekniske oppdrag i Astronautkontoret inkluderte å tjene som mannskapsrepresentant for flyprogramvare, maskinvare og robotikk, assistent for romstasjonen til sjefen for Astronautkontoret, ledende romfartøyskommunikator (CAPCOM) i operasjon-senteret og fungere som nestleder for Astronautkontoret.