Ochoa föddes 1958 i Los Angeles, men växte upp i San Diego-området. Hennes mexikanska arv kom till henne genom sin far, men hennes föräldrar hade skilt sig när hon var i tonåren. Ochoas mor kämpade för att uppfostra fem barn som ensamstående förälder, men fann tid att ta högskolekurser på fritiden-ett viktigt exempel för Ochoa, hennes tre bröder och syster., Alla var achievers och pristagare i La Mesa Public schools, Ochoa var taledictorian av hennes 1975 examen klass på Grossmont High. Ochoa erbjöd ett fyraårigt stipendium till Stanford University i Palo Alto, nära San Francisco, Ochoa valde att studera vid San Diego State University så att hon kunde vara nära sina två yngre bröder, fortfarande i gymnasiet vid den tiden.

tidigt ansåg Ochoa en karriär inom journalistik. Hon tog skriv -, affärs-och datavetenskapskurser innan hon bosatte sig i fysik som sin major., När hon tog examen 1980 var hon återigen klassens taledictorian. Därifrån Ochoa in Stanford University, där hon tjänade både en magisterexamen i elektroteknik och doktorsexamen 1985. Även på Stanford, Ochoa träffade doktorander som var intresserade av NASA: s astronaut utbildningsprogram, och insåg att hon kunde kvalificera sig för det också. Kandidaternas program hade bara börjat acceptera kvinnor i 1978, och den första Latino astronaut, Rodolfo Neri, flög sin första rymdfärjan flygning 1985. Ochoa ansökte om programmet samma år.,

Efter avslutad doktorsexamen började Ochoa sin karriär som forskningsingenjör på Sandia National Laboratories i Livermore, Kalifornien. Hon hittade sin nisch i Imaging Technology gren och, med andra, arbetade med optiska inspektionssystem och annan ny teknik. Med tiden skulle hon dela tre patent för sitt forskningsarbete. Under tiden lutade sig Ochoa att hon hade blivit en av hundra finalister för NASA: s träningsprogram., Året därpå, 1988, anställdes hon vid National Aeronautics and Space Administration (NASA) som chef för avdelningen Intelligent Systems Technology vid dess Ames Research Center. Här Ochoa arbetat med beräkningssystem för flyg-och rymduppdrag.

Ochoa vann en mycket eftertraktad plats i astronautens utbildningsprogram i januari 1990. Under nästa år genomgick hon en rad fysiska och mentala utmaningar., Praktikanterna var tvungna att genomgå noggranna kurser och tester inom rymdvetenskap, astronomi, geologi, oceanografi, meteorologi, första hjälpen, överlevnadsteknik och de komplexa systemen för rymdfärjan design. De förväntades känna till varje del av skytteln och varje dels funktion. I en intervju med hennes Stanford Department of Engineering Alumni Report sa Ochoa att hennes diversifierade bakgrund hjälpte. ”Om du är motiverad att utmärka sig i ett område, är du vanligtvis motiverad att utmärka sig i andra. NASA letar efter det.”