Después de su beca en Rice, comenzó a trabajar en el Centro Espacial Johnson en Houston , Texas, como investigadora asociada residente del Consejo Nacional de Investigación. Desde abril de 1988 hasta septiembre de 1989, Whitson se desempeñó como Supervisor del Grupo de Investigación de Bioquímica en KRUG International, un contratista de ciencias médicas en NASA-JSC.

De 1991 a 1997, Whitson fue invitado a ser profesor asistente adjunto en el Departamento de Medicina Interna y el Departamento de Química Biológica Humana y Genética de la Rama Médica de la Universidad de Texas en Galveston, Texas . En 1997, Whitson comenzó un puesto como profesor asistente adjunto en la Universidad de Rice en el Laboratorio de Maybee de Ingeniería Bioquímica y Genética.

De 1992 a 1995, se desempeñó como científica de proyectos para el Programa Shuttle-Mir y, hasta su selección como candidata a astronauta en 1996, como subdirectora de división de la división de Ciencias Médicas en el Centro Espacial Johnson .