Ochoa se narodil roku 1958 v Los Angeles, ale vyrůstala v San Diego oblast. Její mexické dědictví k ní přišlo přes svého otce, ale její rodiče se rozvedli v době, kdy byla v dospívání. Ochoaova matka se snažila vychovat pět dětí jako osamělý rodič, ale našla si čas na vysokoškolské kurzy ve svém volném čase—což je důležitý příklad pro Ochoa, její tři bratři, a sestra., Všichni byli úspěšní a vítězové v La Mesa veřejných školách, a Ochoa byl valedictorian její 1975 absolvování třídy na Grossmont High. Nabídl čtyřleté stipendium na Stanfordské univerzitě v Palo Alto, poblíž San Francisca, Ochoa se rozhodla studovat na San Diego State University, aby mohla být blízko svých dvou mladších bratrů, v té době ještě na střední škole.

brzy, Ochoa považován za kariéru v žurnalistice. Než se usadila na fyziku jako její hlavní, absolvovala kurzy psaní, podnikání a informatiky., Když v roce 1980 promovala, byla opět valediktorkou své třídy. Odtud Ochoa vstoupila na Stanfordskou univerzitu, kde do roku 1985 získala jak magisterský titul v oboru elektrotechniky, tak doktorát. Zatímco na Stanfordu, Ochoa se setkal s postgraduálními studenty, kteří se zajímali o program výcviku astronautů NASA, a uvědomil si, že by se na to mohla kvalifikovat. Program kandidátů začal přijímat ženy až v roce 1978 a první Latino astronaut Rodolfo Neri letěl svůj první let raketoplánu v roce 1985. Ochoa požádal o program téhož roku.,

po ukončení doktorátu začala Ochoa svou kariéru jako výzkumná inženýrka v Sandia National Laboratories v Livermore v Kalifornii. Našla své místo v oboru zobrazovací technologie a spolu s dalšími pracovala na optických kontrolních systémech a dalších nových technologiích. Časem by se podělila o tři patenty na svou výzkumnou práci. Mezitím se Ochoa naklonila, že se stala jednou ze stovek finalistů výcvikového programu NASA., Následující rok, v roce 1988, byla najata na National Aeronautics and Space Administration (NASA)jako vedoucí pobočky Intelligent Systems Technology ve svém výzkumném centru Ames. Zde Ochoa pracoval na výpočetních systémech pro letecké mise.

Ochoa získala v lednu 1990 velmi vyhledávané místo ve výcvikovém programu astronautů. Během příštího roku podstoupila řadu fyzických a duševních výzev., Stážisté museli absolvovat přísné kurzy a testování v kosmických vědách, astronomii, geologii, oceánografii, meteorologii, první pomoci, technikách přežití a složitých systémech návrhu raketoplánu. Očekávalo se, že budou znát každou část raketoplánu a funkci každé části. V rozhovoru s její Stanford Department of Engineering Alumni Report, Ochoa řekl, že její diverzifikované pozadí pomohlo. „Pokud jste motivováni vyniknout v jedné oblasti, obvykle jste motivováni vyniknout v jiných. NASA to hledá.“