Ochoa s-a născut în 1958 în Los Angeles, dar a crescut în zona San Diego. Moștenirea ei mexicană a venit la ea prin tatăl ei, dar părinții ei divorțaseră până când era în adolescență. Mama lui Ochoa s—a străduit să crească cinci copii ca părinte fără partener, dar și-a găsit timp să urmeze cursurile de colegiu în timpul liber-fiind un exemplu important pentru Ochoa, cei trei frați și sora ei., Toți au fost realizatori și câștigători ai premiilor în școlile publice La Mesa, iar Ochoa a fost șef de promoție al clasei sale de absolvire din 1975 la Grossmont High. A oferit o bursă de patru ani la Universitatea Stanford din Palo Alto, lângă San Francisco, Ochoa a ales să studieze la Universitatea de Stat din San Diego, astfel încât să poată fi aproape de cei doi frați mai mici, încă în liceu la acea vreme.la început, Ochoa a considerat o carieră în jurnalism. A luat cursuri de scriere, afaceri și Informatică înainte de a se stabili pe fizică ca majoră., Când a absolvit în 1980, a fost din nou șef de promoție al clasei sale. De acolo, Ochoa a intrat la Universitatea Stanford, unde a obținut atât o diplomă de master în inginerie electrică, cât și un doctorat până în 1985. În timp ce se afla la Stanford, Ochoa a întâlnit studenți absolvenți care erau interesați de programul de formare a astronauților NASA și și-a dat seama că s-ar putea califica și pentru asta. Programul candidaților începuse să accepte femei abia în 1978, iar primul astronaut Latino, Rodolfo Neri, a zburat primul său zbor de navetă spațială în 1985. Ochoa a aplicat la program în același an.,după terminarea doctoratului, Ochoa și-a început cariera ca inginer de cercetare la Sandia National Laboratories din Livermore, California. Și-a găsit nișa în ramura tehnologiei imagistice și, împreună cu alții, a lucrat la sisteme de inspecție optică și alte tehnologii noi. În timp, ea va împărtăși trei brevete pentru munca ei de cercetare. Între timp, Ochoa s-a aplecat că a devenit unul dintre cei o sută de finaliști pentru programul de instruire NASA., În anul următor, în 1988, a fost angajată la Administrația Națională de Aeronautică și spațiu (NASA) ca șef al filialei de tehnologie a sistemelor inteligente din centrul său de Cercetare Ames. Aici Ochoa a lucrat la sisteme computaționale pentru misiuni aerospațiale.Ochoa a câștigat un loc foarte râvnit în programul de antrenament al astronauților în ianuarie 1990. În anul următor, ea a suferit o serie de provocări fizice și mentale., Stagiarii au trebuit să urmeze cursuri și teste riguroase în științele spațiale, astronomie, geologie, Oceanografie, Meteorologie, prim ajutor, tehnici de supraviețuire și sisteme complexe de proiectare a navetelor spațiale. Ei au fost de așteptat să cunoască fiecare parte a navetei și funcția fiecărei părți. Într-un interviu cu ei Stanford Departamentul de inginerie Alumni raport, Ochoa a spus că fondul ei diversificat a ajutat. „Dacă sunteți motivat să excelați într-o zonă, de obicei sunteți motivat să excelați în altele. NASA caută asta.”