Hun ble den første latin-amerikanske kvinnen som dro til verdensrommet da hun tjenestegjorde på et ni dagers langt oppdrag ombord på Space Shuttle i 1993. Hensikten med romferge-oppdraget var å studere jordens ozonlag. Ochoa, en veteran fra fire romflyvninger, har registrert nesten 1000 timer i verdensrommet. Hun var oppdragsspesialist på STS-56 (1993), var nyttelastsjef på STS-66, og var oppdragsspesialist og flyingeniør på STS-96 og STS-110 i 2002. Ochoa var i operasjon-senteret under katastrofen og var en av de første som ble informert om TV-dekning som viste oppløsning.