Pada tahun 1985, Mukai dipilih sebagai salah satu dari tiga kandidat Spesialis Payload Jepang untuk Tes Pemrosesan Bahan Pertama (Spacelab-J) yang terbang di STS-47. Dia juga menjabat sebagai spesialis payload cadangan untuk misi Neurolab (STS-90). Mukai telah mencatat lebih dari 566 jam di luar angkasa. Dia terbang di STS-65 pada tahun 1994 dan STS-95 pada tahun 1998. Dia adalah wanita Jepang pertama yang terbang ke luar angkasa, dan warga negara Jepang pertama yang terbang dua kali. Sebagai astronot NASDA, dia adalah ilmuwan tamu di Divisi Fisiologi Kardiovaskular, Space Biomedical Research Institute, NASA Johnson Space Center, dari 1987 hingga 1988.
Jepang