W 1985 dr Mukai została wybrana jako jedna z trzech japońskich kandydatów na specjalistkę ładunku dla Pierwszego Testu Przetwarzania Materiałów (Spacelab-J), będącego częścią lotu STS-47. Była także rezerwową specjalistką ładunku dla misji Neurolab (STS-90). Dr Mukai spędziła w kosmosie ponad 566 godzin, biorąc udział w dwóch misjach wahadłowców: STS-65 w 1994 i STS-95 w 1998. Była pierwszą Japonką w kosmosie i pierwszym japońskim astronautą, który powtórnie poleciał w kosmos. Została przydzielona jako zastępca naukowca misji STS-107. Pełniąc tę rolę koordynowała operacje naukowe w czasie tej misji.
Stowarzyszenie Uczestników Lotów Kosmicznych () przyznało jej Universal Astronaut Insignia za lot orbitalny (nr 313).
Wykaz lotów Loty kosmiczne, w których uczestniczyła Chiaki Mukai № Data startu Statek kosmiczny Data lądowania Statek kosmiczny Funkcja Czas trwania 1 8 lipca 1994 STS-65Columbia F-17 23 lipca 1994 STS-65Columbia F-17 Specjalista ładunku(PS-1) 14 dni 17 godzin 55 minut 2 29 października 1998 STS-95Discovery F-25 7 listopada 1998 STS-95Discovery F-25 Specjalista ładunku(PS-1) 8 dni 21 godzin 44 minuty Łączny czas spędzony w kosmosie — 23 dni 15 godzin 39 minut