1986年惠特森开始工作的国家航空和宇宙航行局(NASA)在休斯顿约翰逊航天中心。她有很长很不同的职业在NASA在她被选作为宇航员训练。
1996年惠特森开始她的宇航员训练。6月5日,2002年,她首次飞向太空。她是一个航天飞机这是前往国际空间站。惠特森担任飞行工程师在她呆在车站。她还进行了科学实验并进行了太空行走。惠特森回到地球2002年12月7日,经过近185天在太空中。
惠特森第二次进入太空旅行10月10日,2007年。这次她担任指挥官的国际空间站。惠特森负责扩大空间站的生活和工作领域。她执行五个太空行走来完成各种任务。她花了将近192天在太空返回地球前4月19日,2008年。
惠特森两个探险期间,花了近377天在太空中。她成为美国宇航局的最有经验的宇航员。惠特森担任首席宇航员办公室从2009年到2012年。