1984-ben a Kaliforniai Állami Műszaki Egyetemen (California Polytechnic State University) villamosmérnöki oklevelet szerzett. 1985-ben a CalTech Egyetemen doktorált (PhD). 1992-ben a Massachusetts Institute of Technology (MIT) keretében megvédte doktori diplomáját. 2002-ben az University of Houston keretében planetáris geológiából újból megvédte doktori címét. 1985-1992 között végzett tudományos munkáján kidolgozott egy önálló irányítású robotot. 1993-1995 között az University of Sydney (Ausztrália) vendégprofesszora. 1995-től a NASA felkérésére több program résztvevője. A Hubble űrtávcső stabilitásának lehetőségét elemezte. Segítette a Space Shuttle robotpilóta (nyomon követés, előrejelzés, elemzés, manőver optimalizálás) frissítésének megoldásait.
1998. június 4-től a Lyndon B. Johnson Űrközpontban részesült űrhajóskiképzésben. 2002 júliusában egy 9 napos tenger alatti (NASA Extreme Environment Mission Operations NEEMO 3) kiképzésen vett részt. Két űrszolgálata alatt összesen 198 napot, 18 órát és 2 percet (4770 óra) töltött a világűrben. Űrhajós pályafutását 2013. szeptember 30-án fejezte be.
STS–134 az Endeavour űrrepülőgép 25., repülésének küldetésfelelőse. Barack Obama a harmadik elnök, aki megtekintett egy fellövési műveletet. Többek között az Alfa mágneses spektrométert (AMS) és alkatrészeit, köztük két S-sáv távközlési antennát, egy nagynyomású gáztartályt és további alkatrészeket a Dextre robothoz. Visszafelé bepakolták a csomagoló anyagokat, kutatási eredményeket, a szemetet. Első alkalom, hogy az ISS fedélzetén egyszerre kettő családtag tartózkodott. Második űrszolgálata alatt összesen 15 napot, 17 órát és 39 percet töltött a világűrben. Kettő űrséta (kutatás, szerelés) alatt összesen 13 órát és 43 percet töltött a világűrben. 10 477 185 kilométert (6 510 221 mérföldet) repült.
