Eileen Collins ble uteksaminert i 1978 med en bachelorgrad i matematikk og økonomi fra Syracuse University. I 1979 tok hun oppdrag i United States Air Force gjennom OTS og ble utdannet som pilot. I perioden 1979-1982 jobbet hun som flyinstruktør på T-38, mellom 1983 og 1985 var hun kommandør og flyinstruktør på en Lockheed C-141 Starlifter ved Travis Air Force Base i California. Collins tok en mastergrad i operasjonsanalyse ved Stanford University i 1986. Deretter, mellom 1986 og 1989, var hun matematikklærer ved United States Air Force Academy samt en T-41 instruktørpilot. I 1989 tok hun enda en mastergrad, denne gangen i romsystemer ved Webster University.