De 1989 a 1993, trabajó como bioquímica de estudios en el Biomedical Operaciones y Rama de Búsqueda en NASA-JSC. De 1991 a 1993, fue Monitor Técnico de los Laboratorios de Búsqueda de Bioquímica en el Biomedical Operations. De 1991 a 1992, fue desarrolladora de elementos de carga útil para la investigación con células madres de médula (E10) a bordo SL-J (STS-47), y miembro de la Junta de EE.UU.-URSS en Biología y Medicina Espaciales. En 1992, nombrada científica de Proyecto del Programa Shuttle-Mir (STS-60, STS-63, STS-71, Mir 18, Mir 19) y sirvió en esa capacidad hasta la conclusión de la Fase 1A Programa en 1995. De 1993 a 1996, Whitson tuvo responsabilidades adicionales de Jefa de División de la División de Ciencias Médicas en NASA-JSC. De 1995 a 1996, fue co-cátedra del Grupo EE.UU.-Rusia de Ciencia.