Kennedy’ego (KSC) na Przylądku Canaveral, gdzie pracował w ekipie pomocniczej obsługi naziemnej dwóch pierwszych startów wahadłowca Columbia (STS-1 i STS-2). 1985 – w dniach 24–27 stycznia odbył swój pierwszy lot kosmiczny, pełniąc funkcję specjalisty misji. Wyprawa STS-51-C wahadłowca Discovery miała charakter wojskowy. Dowodził nią Ken Mattingly. Pilotem promu był Loren Shriver, a specjalistami ładunku – James Buchli i Gary Payton. Po trzydniowym locie Discovery wylądował na pasie KSC. Niedługo potem Onizuka został przydzielony do załogi misji STS-51-L, której realizację zaplanowano na styczeń 1986. 28 stycznia 1986 – wahadłowiec Challenger (STS-51-L) rozpadł się tuż po starcie, w 73. sekundzie lotu. W katastrofie śmierć poniosła cała załoga promu, w której poza Onizuką znajdowało się jeszcze sześcioro astronautów: Francis Scobee, Michael John Smith, Judith Resnik, Ronald McNair, Gregory Jarvis i Christa McAuliffe.
Astronauta spoczął na Cmentarzu Pacyfiku – Miejscu Pamięci Narodowej (National Memorial Cemetery of the Pacific) w Honolulu na Hawajach.