Still-Kilrain wurde im Dezember 1994 in die 15. NASA-Gruppe ausgewählt und ab März 1995 als Shuttle-Pilotin ausgebildet. Bereits im Mai 1996 erhielt sie die Nominierung als Pilot für die Mission STS-83.
Still-Kilrain startete am 4. April 1997 mit der Raumfähre Columbia zu ihrem ersten Raumflug. Zwischen Auswahl in die Astronautengruppe und Erstflug lagen nur zwei Jahre und vier Monate. Sie war nach Eileen Collins erst die zweite Frau als Shuttle-Pilot.
Susan Still-Kilrain nahm bei dieser Mission die Fliegernadel von Kara Hultgreen mit in den Weltraum, die ebenfalls Astronautin werden wollte und im Oktober 1994 beim Anflug auf den Flugzeugträger USS Abraham Lincoln mit ihrer F-14 Tomcat tödlich verunglückt war.
Während des Fluges, der ursprünglich für 15 Tage ausgelegt war, traten Probleme in einer der Brennstoffzellen der Raumfähre auf, so dass die Mission abgebrochen wurde und die Columbia schon nach knapp vier Tagen landete.
Die NASA entschied, den Flug mit der gleichen Mannschaft und mit dem gleichen Missionsprofil noch einmal zu starten. So kam Still-Kilrain schon am 1. Juli 1997 mit STS-94 zu ihrem zweiten Flug. Still-Kilrain und ihre Mannschaftskameraden halten somit den Rekord für die kürzeste Zeitdauer zwischen zwei Raumflügen.
Still-Kilrain arbeitete später in der Rechtsabteilung des NASA-Hauptquartiers in Washington, D.C. Sie verließ die NASA im Dezember 2002 und die US-Marine im Juni 2005.
Privates
Susan Still-Kilrain ist mit Colin James Kilrain verheiratet und hat einen Sohn.