Melroy è stata selezionata come astronauta della NASA nel 1994 ed è stata addestrata come pilota dello Shuttle.
È partita in due missioni dello Shuttle: STS-92 (del 2000) ed STS-112 (del 2002).
Il 19 giugno 2006 la NASA ha annunciato che è stata selezionata come comandante della missione STS-120, che è stata lanciata il 23 ottobre 2007 ed è rientrata il 7 novembre nella quale ha partecipato anche Paolo Nespoli. È la seconda donna a comandare una missione dello Shuttle.