Родилась 22 апреля 1976 г. в пос. Воздвиженка Уссурийского района Приморского края в семье военнослужащего. Среднюю школу окончила в 1993 г. в г. Гроссенхайне (Германия), где находилась семья во время службы отца в Западной группе войск (бывш. Группа советских войск в Германии).
В 2001 г. окончила аэрокосмический факультет Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе (МАИ) по специальности "инженер-испытатель", в 2003 г. – Московскую государственную академию приборостроения и информатики по специальности "экономист", в 2008 г. - аспирантуру Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С. П. Королева" (РКК "Энергия").
С марта по декабрь 1998 г., во время учебы подрабатывала техником в НИИ низких температур при МАИ.
С августа 2001 г. занимала должность инженера в РКК "Энергия", с декабря 2004 г. была специалистом главной оперативной группы управления в Центре управления полетами.
В декабре 2006 г. зачислена в отряд космонавтов РКК "Энергия" на должность кандидата в космонавты-испытатели. 9 июня 2009 г. после прохождения двухгодичного общего курса космической подготовки в Центре подготовки космонавтов ей была присвоена квалификация "космонавт-испытатель". С июня 2009 г. по декабрь 2010 г. - космонавт-испытатель РКК "Энергия".
С января 2011 г. по сентябрь 2016 г. – космонавт-испытатель отряда космонавтов Научно-исследовательского испытательного центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина" (НИИ ЦПК им. Ю. А. Гагарина). Была назначена на должность в связи с образованием с 1 января 2011 г. единого отряда российских космонавтов. Освобождена от должности в связи с избранием депутатом Государственной думы РФ VII созыва 18 сентября 2016 г.
Входила в качестве бортинженера в состав дублирующего экипажа МКС-39/40, который стартовал на Международную космическую станцию (МКС) на корабле "Союз ТМА-12М" в марте 2014 г.
Первый полет совершила с 26 сентября 2014 г. по 12 марта 2015 г. в качестве бортинженера 41/42-й основной экспедиции на МКС. В космосе провела 167 сут. 5 ч 49 мин.
18 сентября 2016 г. избрана депутатом Государственной думы РФ VII созыва от партии "Единая Россия" по Коломенскому одномандатному избирательному округу № 119 (Московская обл.). С 5 октября 2016 г. - заместитель председателя комитета ГД по экологии и охране окружающей среды.
19 сентября 2021 г. участвовала в выборах депутатов Государственной думы РФ VIII созыва по федеральному списку партии "Единая Россия". Баллотировалась под десятым номером региональной группы №39 (Московская обл.). По итогам распределения мандатов место в новом созыве Госдумы не получила.
Герой Российской Федерации (2016).
Летчик-космонавт РФ (2016).
Замужем. Супруг - Марк Вячеславович Серов (род. 1974), в 2003-2010 гг. числился в отряде космонавтов (опыта космических полетов не имеет), был заместителем руководителя летно-космического центра РКК "Энергия", в 2019 г. был приглашен на работу в частную компанию S7 Space (оператор проекта "Морской старт"), по состоянию на март 2022 г. является главным специалистом летно-космического центра РКК "Энергия". Дочь - Елена (род. 2004).