1985 aastal valiti Mukai üheks kolmest Jaapani kasuliku koormuse spetsialisti kandidaadist esimese materjali töötlemise testi (Spacelab-J) jaoks, mis lendas STS-47 pardal. Ta teenis ka Neurolab (STS-90) missiooni varukoormuse spetsialistiks. Mukai on kosmoses üle 566 tunni. Ta lendas STS-65 pardal 1994. aastal ja STS-95 aastal 1998. Ta on esimene Jaapani naine, kes lendas kosmoses, ja esimene Jaapani kodanik, kes lendas kaks korda. NASDA astronaudina oli ta 1987-1988 külaline teadlane NASA Johnsoni kosmose keskuse kosmose biomeditsiiniliste uuringute instituudi südame-veresoonkonna füsioloogia osakonnas.
Jaapani