Nel 2013, Koch viene selezionata nel NASA Astronaut Group 21, iniziando successivamente l’addestramento come candidata per poter effettuare viaggi nello spazio.
Nel 2015 diventa ufficialmente astronauta, prendendo inizialmente servizio nel ramo delle operazioni dell’equipaggio della ISS dell’ufficio astronauti Nasa.
La sua prima missione risale al 14 marzo 2019, mentre il 18 ottobre con Jessica Meir effettua il primo intervento tutto al femminile nello spazio. Il 28 dicembre dello stesso anno supera il record di permanenza nello spazio per una donna.