Początkowo trenowali z nią Leroy Chiao i Jurij Usaczow, a następnie William McArthur i Siergiej Krikalow. Tego ostatniego zastąpił z czasem Walerij Tokariew. Opóźnienie, które wystąpiło w działaniach nad wznowieniem regularnych lotów wahadłowców spowodowało, że w rezultacie Williams została wycofana z tej załogi. 2006–2007 – w maju 2006 została włączona do składu 14. stałej załogi ISS, w której znaleźli się również Michael Lopez-Alegria i Michaił Tiurin. Dwaj ostatni udali się na stację na pokładzie Sojuza TMA-9, a Williams dołączyła do nich w grudniu, przylatując wahadłowcem Discovery realizującym misję STS-116. Na Ziemię powróciła w czerwcu 2007. Lipiec – listopad 2012 – uczestniczyła w ekspedycjach 32 i 33. 9 lipca 2015 – agencja NASA ogłosiła, że Sunita Williams została jednym z czterech astronautów wybranych do szkolenia i przygotowań do testowych lotów na prywatnych statkach kosmicznych firm SpaceX (statek Dragon V2) i Boeing (CST-100 Starliner), budowanych w ramach Commercial Crew Program.