Ride là một trong 8.000 người đáp lại lời rao trên báo tìm người cho chương trình không gian.[6] Kết quả là Ride gia nhập NASA năm 1978. Ride phục vụ như nhân viên truyền tin ở "Trung tâm kiểm soát chuyến bay từ dưới đất" cho các chuyến bay thứ nhì và thứ ba của tàu con thoi (chuyến bay STS-2 và STS-3) và giúp triển khai cánh tay robot của tàu con thoi.[5]

Ngày 18 tháng 6 năm 1983, bà trở thành phụ nữ Mỹ đầu tiên bay vào vũ trụ trong phi hành đoàn của tàu con thoi Challenger trên chuyến bay STS-7.[7] Trước đó đã có 2 phụ nữ người Liên Xô là Valentina Tereshkova bay vào không gian năm 1963 và Svetlana Savitskaya năm 1982.

Trên chuyến bay STS-7, trong đó 5 người của phi hành đoàn đã triển khai 2 vệ tinh truyền thông và tiến hành các thí nghiệm dược phẩm, Ride là người phụ nữ đầu tiên sử dụng cánh tay robot trong không gian và người đầu tiên sử dụng cánh tay robot để thu một vệ tinh. Chuyến bay vào không gian thứ hai của bà cũng trên tàu con thoi Challenger vào năm 1984. Tổng cộng, bà đã bay trong không gian hơn 343 giờ.

Ride đã hoàn tất 8 tháng tập luyện cho chuyến bay thứ ba, khi tàu con thoi Challenger gặp tai nạn.[5] Bà được bổ nhiệm vào Ủy ban của Tổng thống điều tra tai nạn tàu con thoi, và đứng đầu tiểu ban Hoạt động.[5]

Sau vụ điều tra này, Ride được điều về tổng hành dinh NASA ở Washington DC. Tại đây, bà điều khiển nỗ lực kế hoạch hóa chiến lược đầu tiên của NASA, lập ra một báo cáo mang tên "Sự lãnh đạo và Tương lai của Hoa Kỳ trong Không gian", và lập ra cơ quan thăm dò của NASA.[4]