Praca w NASA i kariera astronautki 1996–2000 – 1 maja 1996 została zakwalifikowana do szesnastej grupy astronautów NASA, a w sierpniu rozpoczęła zajęcia w Centrum Lotów Kosmicznych im. Lyndona B. Johnsona (JSC) w Houston. Po zakończeniu dwuletniego szkolenia podstawowego uzyskała uprawnienia specjalisty misji. Od 1997 do 2000 pracowała w dziale ds. przestrzeni ładunkowej i mieszkalnej wahadłowca (Payloads/Habitability Branch) w Biurze Astronautów NASA. 28 września 2000 została powołana do załogi STS-107 w charakterze specjalisty misji. 2003 – 16 stycznia poleciała w kosmos na pokładzie wahadłowca Columbia, którym dowodził Rick Husband. Załogę wyprawy STS -107 tworzyli ponadto: William McCool – pilot wahadłowca oraz David Brown, Michael P. Anderson, Kalpana Chawla i astronauta izraelski Ilan Ramon – specjaliści misji. Podczas blisko szesnastodniowej misji astronauci przeprowadzili 82 eksperymenty biologiczne, geofizyczne, technologiczne i fizyczne. 1 lutego podczas powrotu Columbii na Ziemię wahadłowiec rozpadł się w powietrzu. Śmierć ponieśli wszyscy uczestnicy lotu. Clark została pochowana na Cmentarzu Narodowym w Arlington, podobnie jak jej dwóch kolegów z załogi – David Brown i Michael P. Anderson.
Rodzina Była żoną Jonathana Clarka, lekarza lotniczego pracującego w NASA.