Ochoa, geboren 1958 in Los Angeles, wuchs aber in der Gegend von San Diego. Ihr mexikanisches Erbe kam durch ihren Vater zu ihr, aber ihre Eltern hatten sich geschieden, als sie als Teenager war. Ochoas Mutter kämpfte darum, fünf Kinder als Alleinerziehende großzuziehen, fand aber Zeit, in ihrer Freizeit College—Kurse zu belegen-ein wichtiges Beispiel für Ochoa, ihre drei Brüder, und Schwester., Alle waren Leistungsträger und Preisträger in den La Mesa Public Schools, und Ochoa war Valedictorian ihrer 1975 Abschlussklasse an der Großmont High. Ochoa bot ein vierjähriges Stipendium an der Stanford University in Palo Alto in der Nähe von San Francisco an und entschied sich, an der San Diego State University zu studieren, damit sie in der Nähe ihrer beiden jüngeren Brüder sein konnte, damals noch in der High School.

Ochoa betrachtete schon früh eine Karriere im Journalismus. Sie nahm Schreiben, Wirtschaft,und Informatik-Kurse, bevor sie sich auf Physik als ihr Haupt., Als sie 1980 ihren Abschluss machte, war sie erneut die Valedictorianerin ihrer Klasse. Von dort ging Ochoa an die Stanford University, wo sie 1985 sowohl einen Master-Abschluss in Elektrotechnik als auch einen Doktortitel erwarb. Während seiner Zeit in Stanford traf Ochoa Doktoranden, die sich für das Astronautentrainingsprogramm der NASA interessierten, und erkannte, dass sie sich auch dafür qualifizieren könnte. Das Programm der Kandidaten hatte erst 1978 begonnen, Frauen aufzunehmen, und der erste lateinamerikanische Astronaut Rodolfo Neri flog 1985 seinen ersten Space Shuttle-Flug. Ochoa bewarb sich im selben Jahr auf das Programm.,

Nach Abschluss ihrer Promotion begann Ochoa ihre Karriere als Forschungsingenieurin bei Sandia National Laboratories in Livermore, Kalifornien. Sie fand ihre Nische in der bildgebenden Technik und arbeitete mit anderen an optischen Inspektionssystemen und anderen neuen Technologien. Mit der Zeit würde sie drei Patente für ihre Forschungsarbeit teilen. In der Zwischenzeit beugte sich Ochoa vor, einer von hundert Finalisten für das NASA-Trainingsprogramm geworden zu sein., Im folgenden Jahr, 1988, wurde sie bei der National Aeronautics and Space Administration (NASA) als Leiterin der Abteilung für intelligente Systemtechnologie am Ames Research Center eingestellt. Hier arbeitete Ochoa an Computersystemen für Luft-und Raumfahrtmissionen.

Ochoa gewann im Januar 1990 einen begehrten Platz im Astronautentrainingsprogramm. Im Laufe des nächsten Jahres unterzog sie sich einer Reihe von körperlichen und geistigen Herausforderungen., Die Auszubildenden mussten sich strengen Kursen und Tests in den Weltraumwissenschaften, Astronomie, Geologie, Ozeanographie, Meteorologie, Erste Hilfe, Überlebenstechniken und den komplexen Systemen des Space Shuttle-Designs unterziehen. Es wurde erwartet, dass sie jeden Teil des Shuttles und die Funktion jedes Teils kennen. In einem Interview mit ihrem Stanford Department of Engineering Alumni Bericht, Ochoa sagte, dass ihr diversifizierter Hintergrund geholfen. „Wenn Sie motiviert sind, sich in einem Bereich zu übertreffen, sind Sie normalerweise motiviert, sich in anderen zu übertreffen. Die NASA sucht das.“