Kariera w NASA mały|Serena M. Auñón-Chancellor na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej 11 czerwca 2018 r. Auñón-Chancellor została wybrana jako kandydatka na astronautkę w czerwcu 2009 roku. Programy szkoleniowe kandydatury ukończyła w 2011 roku. W czerwcu 2012 roku prowadziła podwodny pojazd DeepWorker 2000 w ramach misji badawczej NASA/NOAA NEEMO 16 przy wybrzeżu Key Largo na Florydzie.
W lipcu 2015 roku Auñón-Chancellor brała udział w misji NEEMO 20 jako oceanonautka.
Ekspedycja 56/57 16 stycznia 2018 ogłoszono, że Auñón-Chancellor zastąpi Jeanette J. Epps z głównej załogi Ekspedycji 56. W dniu 6 czerwca 2018 wystartowała Sojuzem MS-09 na Międzynarodową Stację Kosmiczną, gdzie spędziła 196 dni 17 godzin i 49 minut.
Stowarzyszenie Uczestników Lotów Kosmicznych () przyznało jej Universal Astronaut Insignia za lot orbitalny (nr 555).
Życie prywatne Auñón-Chancellor wyszła za mąż za lekarza Jeffa Chancellora i ma z tego małżeństwa przybraną córkę Serafinę Chancellor. Mieszkają w League City, w stanie Teksas.