Przez kolejny rok studiowała w Air Force Institute of Technology, zaś w latach 1986–1989 pracowała w United States Air Force Academy w Kolorado jako asystent profesora matematyki oraz pilot szkoleniowy na samolotach . W trakcie studiów w Air Force Test Pilot School w bazie Edwards w Kalifornii (ukończyła je w 1990) została wybrana do szkolenia na astronautę.
Wylatała ponad 6751 godzin na ponad 30 typach maszyn. Opuściła United States Air Force w styczniu 2005.
Praca w NASA i kariera astronauty W styczniu 1990 została zakwalifikowana do 13. grupy astronautów NASA (NASA-13). Szkolenie na astronautę ukończyła w lipcu 1991.
Po raz pierwszy pilotowała prom kosmiczny w 1995 podczas misji STS-63, w ramach której nastąpiło połączenie wahadłowca Discovery z rosyjską stacją kosmiczną Mir (program Shuttle-Mir). W uznaniu jej osiągnięć jako pierwszej kobiety-pilota promu kosmicznego uhonorowano ją nagrodą . Pilotowała również prom podczas misji STS-84 w 1997.
Była dowódcą misji STS-93, podczas której w lipcu 1999 umieszczono na orbicie okołoziemskiej teleskop kosmiczny Chandra. Była to przedostatnia zakończona sukcesem misja promu Columbia (ostatnia udana wyprawa Columbii odbyła się w marcu 2002).