Mukai var den første japanske kvinne i verdensrommet, og var den første japanske borger til å gjennomføre to reiser i verdensrommet. Hennes første romferd var om sommeren 1994 og den andre romferden ble gjennomført i 1998. Totalt har Mukai tilbrakt 23 dager i verdensrommet. Mukai ble valgt til å være astronaut for det japanske nasjonale romorganisasjonen NASDA (som nå heter JAXA) i 1985. Før dette var Mukai ansatt som assisterende professor ved Institutt for kirurgi ved Keio University, det eldste universitetet i Japan.