Helms est née à Charlotte, en Caroline du Nord, mais considère Portland, dans l'Oregon comme sa ville d'origine. Son père est lieutenant-colonel (retraité, USAF).
En 1976, elle est diplômée de Parkrose Senior High School, à Portland dans l'Oregon. En 1980, elle obtient un baccalauréat ès sciences en génie aéronautique de l'US Air Force Academy.
Elle commence une carrière militaire et est affectée à Eglin Air Force Base, en Floride, comme ingénieur pour F-16. En 1982, elle devient l'ingénieur en chef pour le F-15. En 1984, elle est sélectionnée pour participer à des études supérieures. En 1985, elle obtient une maîtrise ès sciences en aéronautique et en astronautique à l'Université Stanford.
Elle est affectée en tant que professeur assistant d'aéronautique à l'United States Air Force Academy. Après avoir complété une année de formation d'ingénieur d'essais en vol, Helms est affectée comme officier au Centre d'essais techniques de l'aérospatiale à la base de Cold Lake en Alberta, au Canada, où elle a travaillé comme ingénieur d'essais de vol et agent de projet sur l'aéronef CF-18 Hornet. Elle gérait le développement d'une simulation du système de commande de vol pour les Forces canadiennes lorsqu'elle a été sélectionnée pour le programme des astronautes.
Elle est restée 12 ans à la NASA et est restée 211 jours dans l'espace.
En , elle est retournée à l'US Air Force et elle a travaillé au QG du Commandement spatial USAF. Elle a servi comme vice-commandant du 45e Space Wing à la base de Patrick Air proche de Cap Canaveral, en Floride. Elle a ensuite servi comme directeur adjoint des opérations pour l’entraînement à la base aérienne de Randolph(en), près de San Antonio, au Texas. Elle a été promue au grade de brigadier général en et est devenue commandant de la 45e Escadre spatiale le jour même de sa promotion.
Elle est membre de l' Expédition 2, en s'envolant le à bord de Discovery STS-102 vers la station spatiale ISS. Après plus de 163 jours à bord de la station et une sortie de 8 heures et 56 minutes pour installer du matériel sur le corps externe du laboratoire, elle revient sur terre à bord du vol Discovery STS-105 le .