Ochoa è nato 1958 a Los Angeles, ma è cresciuto nella zona di San Diego. Il suo patrimonio messicano è venuto a lei attraverso il padre, ma i suoi genitori avevano divorziato dal momento in cui era nella sua adolescenza. La madre di Ochoa ha lottato per crescere cinque figli come un solo genitore, ma ha trovato il tempo di seguire corsi universitari nel suo tempo libero—impostazione un esempio importante per Ochoa, i suoi tre fratelli, e la sorella., Tutti erano achievers e premiati nelle scuole pubbliche di La Mesa, e Ochoa era valedictorian della sua classe di laurea 1975 a Grossmont High. Offerto una borsa di studio di quattro anni alla Stanford University di Palo Alto, vicino a San Francisco, Ochoa ha scelto di studiare alla San Diego State University in modo che potesse essere vicino ai suoi due fratelli più giovani, ancora al liceo al momento.

All’inizio, Ochoa considerava una carriera nel giornalismo. Ha preso la scrittura, affari, e corsi di informatica prima di stabilirsi sulla fisica come il suo maggiore., Quando si è laureata nel 1980, è stata ancora una volta la valedictorian della sua classe. Da lì Ochoa entrato Stanford University, dove ha conseguito sia un master in ingegneria elettrica e un dottorato di 1985. Mentre era a Stanford, Ochoa incontrò studenti laureati che erano interessati al programma di addestramento degli astronauti della NASA e si rese conto che avrebbe potuto qualificarsi anche per questo. Il programma dei candidati aveva iniziato ad accettare donne solo nel 1978, e il primo astronauta latino, Rodolfo Neri, volò il suo primo volo dello space shuttle nel 1985. Ochoa applicato al programma quello stesso anno.,

Dopo aver terminato il dottorato, Ochoa ha iniziato la sua carriera come ingegnere di ricerca presso i Sandia National Laboratories di Livermore, in California. Ha trovato la sua nicchia nel ramo della tecnologia di imaging e, con altri, ha lavorato su sistemi di ispezione ottica e altre nuove tecnologie. Col tempo avrebbe condiviso tre brevetti per il suo lavoro di ricerca. Nel frattempo, Ochoa si appoggiò era diventato uno dei cento finalisti per il programma di formazione della NASA., L’anno seguente, nel 1988, è stata assunta presso la National Aeronautics and Space Administration (NASA) come capo del ramo della tecnologia dei sistemi intelligenti presso il suo Centro di ricerca Ames. Qui Ochoa ha lavorato su sistemi computazionali per missioni aerospaziali.

Ochoa ha vinto un posto molto ambito nel programma di addestramento degli astronauti nel gennaio del 1990. Nel corso dell’anno successivo, ha subito una serie di sfide fisiche e mentali., I tirocinanti hanno dovuto sottoporsi a rigorosi corsi e test nelle scienze spaziali, astronomia, geologia, oceanografia, meteorologia, primo soccorso, tecniche di sopravvivenza e complessi sistemi di progettazione dello space shuttle. Ci si aspettava che conoscessero ogni parte della navetta e la funzione di ogni parte. In un’intervista con il suo rapporto Stanford Department of Engineering Alumni, Ochoa ha detto che il suo background diversificato ha aiutato. “Se sei motivato ad eccellere in un settore, di solito sei motivato ad eccellere in altri. La NASA lo cerca.”