23 maja 1985 r. ogłoszono skład trzynastoosobowej jedenastej grupy astronautów NASA, z Jernigan w roli specjalistki misji. Po rocznym treningu i egzaminie w lipcu 1986 roku Jernigan wstąpiła do korpusu astronautycznego amerykańskiej agencji kosmicznej. W trakcie służby pełniła rolę operatorki łączności (CapCom) w kontroli misji STS-30, STS-28, STS-34, STS-33 i STS-32. Była też walidatorką oprogramowania i wiodącym astronautą w rozwoju oprogramowania kontroli lotu. W trakcie swojej kariery pełniła także funkcję szefowej działu opracowania misji Biura Astronautycznego (Astronaut Office Mission Development Branch), a także zastępcy dyrektora Biura Astronautycznego NASA.
Jernigan wykonała najwięcej lotów ze swojej grupy. W trakcie pięciu lotów kosmicznych na pokładzie trzech różnych promów kosmicznych spędziła ponad 1512 godzin.
Pierwszy start odbyła 5 czerwca 1991 r., z misją Spacelab Life Sciences – 1 wynoszonego laboratorium Spacelab. Podczas drugiego lotu była przede wszystkim odpowiedzialna za włoskiego satelitę geodezyjnego LAGEOS-II, a podczas trzeciego – za obserwatorium Astro-2. Pierwsze dwa wyjścia poza pojazd miała wykonać w trakcie misji STS-80, nie doszło jednak do nich z powodu awarii włazu śluzy powietrznej.