Angkatan Laut Amerika
Tugas pertama Caputo adalah penugasan detasering selama enam bulan di Pusat Antariksa Johnson, yang mana ia bekerja sebagai teknisi digantara di cabangnya yang berletak di Pangkalan Udara Ellington dekat Houston, Texas. Desember 1985, Caputo menerima arahan untuk mengikuti pelatihan penerbangan di Pangkalan Udara Angkatan Laut Pensacola di Florida. Caputo menyelesaikan pelatihan utamanya dan terkualifikasi sebagai Perwira Penerbangan Angkatan Laut (NFO) pada Juni, 1987.
Pada tahun 1988, Caputo menikahi rekan kelasnya, Richard T. Nowak, dan mengganti nama terakhirnya ke "Nowak". Nowak melanjutkan studinya pada tahun 1990 dengan bergabung ke Akademi Pascasarjana Angkatan Laut Amerika Serikat di Monterey, California, dimana ia mendapat gelar Magister sains dalam bidang teknik dirgantara dan gelar teknik penerbangan di bulan September 1992.
Selama kariernya di Angkatan Laut, Nowak telah mengkontribusikan lebih dari 1,500 jam terbang dalam lebih dari 30 pesawat udara yang berbeda-beda. Nowak dianugerahkan Defense Meritorious Service Medal, Navy Commendation Medal, dan Navy Achievement Medal.
NASA
Pada 15 Juni 1995, NASA mengumumkan seleksi kelompok baru astronot. Sebagai perwira angkatan laut, Lisa Nowak tidak dapat mengajukan lamaran secara langsung seperti warga sipil, melainkan harus mengirimkan aplikasinya ke dewan peninjau yang akan menyetujuinya sebelum diteruskan ke NASA.[3] Dari lebih dari 2.400 pelamar, Nowak berhasil menjadi salah satu dari 150 finalis yang dianggap sangat memenuhi syarat. Pada awal 1996, ia dipanggil ke Johnson Space Center untuk mengikuti orientasi, wawancara, dan evaluasi medis selama satu minggu.[3][4]
Pada 1 Mei 1996, NASA mengumumkan daftar 10 kandidat pilot dan 25 spesialis misi baru, termasuk Nowak. Kelas tahun 1996 ini merupakan kelompok terbesar sejak seleksi pertama astronot Space Shuttle pada tahun 1978, yang juga berjumlah 35 orang. Mereka mulai menjalani pelatihan astronot di Johnson Space Center pada 12 Agustus 1996 bersama sembilan astronot internasional.[5] Karena jumlahnya yang besar, kelompok ini sering kali berdesakan di ruang kelas dan fasilitas pelatihan, sehingga mereka menjuluki diri mereka "The Sardines".[3]
Nowak dan keluarganya kemudian pindah ke Texas dan membangun rumah di Clear Lake City. Suaminya, yang juga seorang perwira penerbangan angkatan laut, meninggalkan dinas aktif pada tahun 1998 dan bekerja sebagai kontraktor komunikasi luar angkasa di Barrios Technology. Ia bertugas di Johnson Space Center sebagai pengendali penerbangan di pusat kendali misi.[6]
Pelatihan astronot mencakup latihan bertahan hidup, perjalanan tiga hari ke Grand Canyon untuk mempelajari geologi, serta pelajaran mengenai berbagai sistem pada Space Shuttle. Sebagai spesialis misi, Nowak diwajibkan terbang minimal empat jam per bulan menggunakan pesawat Northrop T-38 Talon milik NASA. Pelatihannya dilakukan di fasilitas pelatihan lingkungan tanpa bobot serta di pesawat Boeing KC-135 Stratotanker, yang memberikan pengalaman simulasi gravitasi nol. Ia menyelesaikan pelatihannya pada Agustus 1998.[7]
Pada September 1998, Nowak kembali ke Akademi Angkatan Laut Amerika Serikat di Annapolis untuk menghadiri perayaan mengenang Alan Shepard, astronot Mercury Seven yang meninggal dua bulan sebelumnya. Pada awal 2001, ia hamil anak kembar.[3] Di Kantor Astronot, Nowak mengkhususkan diri dalam pengoperasian lengan robotik Space Shuttle dan bertugas sebagai CAPCOM, penghubung utama antara kru pesawat luar angkasa dan pusat kendali misi. Ia menjalankan tugas ini selama misi STS-100 pada April 2001, saat kru Space Shuttle Endeavour memasang lengan robotik di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS). Pada Oktober 2001, ia melahirkan anak kembarnya. Nowak dan suaminya bergantian dalam mengatur jadwal kerja untuk menjaga anak-anak mereka, hingga pada tahun 2002 suaminya dipanggil kembali ke dinas aktif untuk berpartisipasi dalam Operasi Enduring Freedom, meninggalkan Nowak sebagai ibu tunggal dengan tiga anak.[8]
Pada 12 Desember 2002, NASA mengumumkan kru untuk misi STS-118 yang dijadwalkan pada November 2003. Namun, pada 1 Februari 2003, bencana Space Shuttle Columbia terjadi, menewaskan tujuh astronot dalam misi STS-107, termasuk tiga rekan seangkatan Nowak. Sebagai bentuk penghormatan, NASA memberikan dukungan khusus kepada keluarga korban, dan Nowak ditugaskan untuk membantu keluarga Laurel Clark. Suami Clark, Jonathon Clark, mengenang bagaimana Nowak menangani segala urusan administrasi, keuangan, dan bahkan membantu merawat anak Clark, sambil tetap mengemban tanggung jawabnya sendiri sebagai astronot dan ibu.[9]
Tragedi Columbia menyebabkan perubahan jadwal dan perbaikan sistem keselamatan. Misi STS-121 pun ditugaskan sebagai bagian dari program "Return to Flight" untuk menguji peningkatan keselamatan. Pada Januari 2004, Nowak mengikuti pelatihan bertahan hidup selama sebelas hari di Kanada bersama rekan-rekan astronotnya.[10] Pelatihan ini mencakup empat hari instruksi dari Angkatan Bersenjata Kanada sebelum mereka ditinggalkan di hutan belantara Quebec untuk berjalan sejauh 20 kilometer kembali ke peradaban.[3]
Selama pelatihan ini, Nowak bekerja sama dengan William Oefelein, seorang astronot dari angkatan 1998, yang sebelumnya pernah bertugas bersamanya pada tahun 1995. Setelah kembali ke Houston, keduanya menjalin hubungan di luar pernikahan yang mereka coba sembunyikan. Sebagai perwira aktif di Angkatan Laut, hubungan semacam ini berisiko terkena sanksi militer karena dianggap sebagai "perilaku tidak pantas bagi seorang perwira" di bawah Uniform Code of Military Justice.[11] Istri Oefelein mengajukan gugatan cerai pada Februari 2005 setelah menemukan bukti perselingkuhan, dan perceraian mereka diselesaikan pada Mei 2005. Setelah itu, Oefelein tinggal di apartemen kecil tempat Nowak sering mengunjunginya, bahkan menyimpan beberapa barang pribadinya di sana, sehingga ia mulai dikenal oleh penghuni lain di kompleks tersebut.[12]