Kathryn D. Sullivan
Karier di NASA

Ketika Sullivan mengunjungi keluarganya pada perayaan Natal tahun 1976, saudaranya Grant, seorang insinyur kedirgantaraan dan pilot jet perusahaan, mengatakan kepadanya bahwa Badan Penerbangan dan Antariksa Amerika Serikat (bahasa Inggris: National Aeronautics and Space Administration; disingkat NASA /ˈnæsə/) telah mengumumkan penerimaan untuk sekelompok antariksawan baru. NASA telah mengumumkan bahwa mereka tertarik untuk merekrut antariksawati, dan Grant mendukung Sullivan untuk melamar. Ia sebelumnya telah melamar untuk posisi sebagai spesialis pilot dan misi. Setelah ia kembali ke Nova Scotia ia melihat iklan NASA di jurnal sains, dan memutuskan untuk mendaftar. Ia beralasan bahwa pesawat ulang alik adalah semacam kapal penelitian, tetapi mimpinya masih untuk turun ke dasar laut dengan kapal selam. Prospek itu semakin dekat ketika ia menerima tawaran dari William B. F. Ryan dari Lamont Doherty Earth Observatory di Universitas Columbia untuk bergabung dengan timnya menjelajahi lautan di kapal selam DSV Alvin. Ryan sebelumnya pernah menjadi finalis yang gagal untuk bergabung ke Antariksawan NASA kelompok 6 pada tahun 1967, dan dia menasihatinya untuk menunggu NASA menelepon. Mereka berdua merasa bahwa peluang untuk diterima masih panjang, tetapi Sullivan tidak bergabung dengan tim Ryan, sementara itu ia menunggu untuk mendengar tentang pilihannya yang mendaftar di NASA.
Segera setelah lulus kuliah, Sullivan mendapatkan kesempatan diwawancarai untuk menjadi antariksawan, yang dimana itu adalah wawancara kerja serius pertamanya. Dan, pada usia 26 tahun, pekerjaan penuh waktu pertamanya adalah sebagai antariksawan. Pada musim dingin tahun 1978, Sullivan bergabung dengan antariksawan kelompok delapan NASA, yang dijuluki dengan "Tiga Puluh Lima Orang Baru" (TFNG). Ini adalah kelompok antariksawan pertama yang memasukkan wanita di dalamnya. Karena perekrutan antariksawan tidak lagi terbatas untuk pilot Angkatan Udara, kelompok baru ini mewakili langkah pertama NASA menuju korps antariksawan yang lebih beragam, termasuk di dalamnya enam wanita, tiga pria keturunan Afrika-Amerika, dan satu pria keturunan Asia-Amerika, semua yang pertama bagi kelompok elit.
Selama enam tahun berikutnya, Sullivan terus berlatih, mempelajari, dan mendukung misi-misi lain hingga dia menjadi yang terdepan. Pada bulan September 1983, ia secara resmi ditugaskan untuk misi perjalanan ruang angkasa, yaitu misi STS-41-G. Selain itu Sally Ride juga ditugaskan untuk misi ini, jadi ini menjadi pertama kalinya dua wanita berada di luar angkasa bersama. Misi ini lepas landas dari KSC menggunakan pesawat ulang alik Challenger pada tanggal 5 Oktober 1984. STS-41-G menyelesaikan 132 orbit Bumi dalam 197,5 jam, sebelum mendarat kembali di KSC pada 13 Oktober 1984.
Pada akhir Maret 1989, Sullivan kembali bekerja pada misi HST, yang sekarang ditunjuk STS-31. Krunya sama, kecuali Loren Shriver menggantikan Young sebagai komandan misi. STS-31 diluncurkan dari KSC, pada tanggal 24 April 1990. Selama misi dalam lima hari itu, anggota awak pesawat ulang alik Discovery dikerahkan HST, dan melakukan berbagai percobaan middeck yang melibatkan studi pertumbuhan kristal protein, pengolahan membran polimer, dan efek dari bobot dan medan magnet pada busur ion. Setelah membuat 76 orbit Bumi dalam 121 jam, Discovery mendarat di Pangkalan Angkatan Udara Edwards di California, pada 29 April 1990.
Sullivan kemudian terpilih menjabat sebagai Komandan Payload di STS-45, misi Spacelab pertama yang didedikasikan untuk misi NASA ke Planet Bumi. Itu lepas landas di Discovery pada tanggal 24 Maret 1992. Selama misi dalam sembilan hari itu, kru mengoperasikan dua belas percobaan yang merupakan kargo ATLAS-I (Atmospheric Laboratory for Applications and Science). Discovery mendarat di Pusat Antariksa Kennedy  pada 2 April 1992. Sullivan meninggalkan NASA pada tahun 1993. Dia telah terbang dengan tiga misi pesawat ulang alik dan mencatat 532 jam di luar angkasa.