Ochoa ble født i 1958 i Los Angeles, men vokste opp i San Diego-området. Hennes Meksikanske arv kom til henne gjennom hennes far, men hennes foreldre ble skilt da hun var i tenårene. Ochoa mor slet med å heve fem barn som enslig forelder, men fant tid til å ta språkkurs i fritiden—innstillingen et viktig eksempel for Ochoa, hennes tre brødre og søster., Alle var achievers og award-vinnere i La Mesa offentlige skoler, og Ochoa var valedictorian av hennes 1975 eksamen klasse på Grossmont High. Tilbys en fire-årig stipend for å Stanford University i Palo Alto, i nærheten av San Francisco, Ochoa valgte å studere ved San Diego State University, slik at hun kunne være i nærheten av sine to yngre brødre, som fortsatt er i videregående skole på den tiden.

Tidlig, Ochoa vurdert en karriere innen journalistikk. Hun tok å skrive, business, og datamaskinen science kurs før settling på fysikk som hennes store., Da hun ble uteksaminert i 1980, ble hun igjen valedictorian i sin klasse. Fra det Ochoa inn Stanford University, der hun tok både en mastergrad i elektroteknikk og en doktorgrad i 1985. Mens ved Stanford, Ochoa møtte studenter som var interessert i nasas astronaut-trening-programmet, og innså at hun kan kvalifisere seg for det også. Kandidatenes programmet hadde bare begynte å akseptere kvinner i 1978, og den første Latino astronaut, Rodolfo Neri, fløy sin første romfergen fly i 1985. Ochoa brukt til programmet som samme år.,

Etter å ha fullført sin doktorgrad, Ochoa begynte sin karriere som forskningsingeniør ved Sandia National Laboratories i Livermore, California. Hun har funnet sin nisje i Imaging Teknologi Gren, og sammen med andre, jobbet på optisk inspeksjon systemer og andre nye teknologier. I tiden hun ville dele tre patenter for forskningen hennes arbeid. I mellomtiden, Ochoa lente seg hadde hun blitt en av hundre finalistene for NASA treningsprogram., Året etter, i 1988, ble hun ansatt ved National Aeronautics and Space Administration (NASA) som sjef for Intelligente Systemer Teknologi Gren på sin Ames Research Center. Her Ochoa jobbet på beregningsorientert systemer for luftfart oppdrag.

Ochoa vant en svært ettertraktet sted i astronaut-trening-programmet i januar 1990. I løpet av neste år, hun gjennomgikk en rekke fysiske og mentale utfordringer., Traineene hadde å gjennomgå grundig kurs og testing i space sciences, astronomi, geologi, oseanografi, meteorologi, førstehjelp, overlevelses-teknikker, og de komplekse systemer av romfergen design. De var forventet å vet hver eneste del av transport og hver del funksjon. I et intervju med henne Stanford Institutt for teknisk Alumni Rapporten, Ochoa sa at hennes allsidig bakgrunn hjalp. «Hvis du er motivert til å utmerke seg i ett område, er du vanligvis motivert til å utmerke seg i andre. NASA ser ut til at.»