ローレンスは1992年3月にNASAの宇宙飛行士の候補となり、1992年8月からジョンソン宇宙センターで訓練を行なった。1年間の訓練を経て、彼女はミッションスペシャリストとして採用された。彼女の役割には、シャトル・アビオニクス統合施設で飛行ソフトウェアを検証すること等も含まれていた。彼女は1995年3月2日から18日に行なわれたSTS-67で初飛行し、フライトエンジニアを務めた。その後彼女は、シャトル・ミールプログラムのモスクワでのアメリカ側の責任者として、ガガーリン宇宙飛行士訓練センターで、NASAのオペレーションを担当した。1996年9月、彼女はミールへの4カ月の滞在のバックアップとしての訓練を開始した。ミールのシステムとミールへの乗組員の輸送について彼女が知識と経験を持っていたことから、彼女は1997年9月25日から10月6日のSTS-86と1998年6月2日から12日のSTS-91にも搭乗した。STS-114でもミッションスペシャリストを務めた。4度の宇宙飛行で、彼女は1200時間以上を宇宙で過ごした。彼女はReturn To Flightのミッションで物資の輸送とロボットアームの操作の責任者を務めた。このミッションは2005年7月26日から8月9日まで行なわれ、検査法の新しい手順の評価とシャトルの熱保護システムの交換が行なわれた[1][2][3][4][5][6]。