Efter at have medvirket i flere skuespil flyttede Tierney til Los Angeles, Californien i 1987, hvor hun fik sit store gennembrud med en rolle i Disneys tv-film “Student Exchange”. Tierneys første hovedrolle i en film var i en low-budget independent film kaldet Dead Women in Lingerie, som blev optaget på 24 dage. På trods af at filmen fik en dvd-udgivelse i 2005, har den endnu ikke fået en biografudgivelse.
Tierney havde en række små roller i film og tv og en medvirkende rolle i 704 Hauser, en kortvarig spin-off af All in the Family fra 1994, men fik først regelmæssig national eksponering med sin hovedrolle i sitcom’en NewsRadio fra 1995 til 1999. Mens hun var en del af NewsRadio-besætningen, spillede hun også hovedrollen i flere succesfulde film fra slutningen af 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne som Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature og Welcome to Mooseport.
Når NewsRadio blev aflyst, besluttede Tierney sig for ikke at spille med i en anden sitcom:
men da NewsRadio blev aflyst, … tænkte jeg, at der nok ikke kommer noget lignende igen for mig… Så da ER ringede … var det en måde at blive i, som ville forblive interessant for mig.
Fra 1999 til 2008 spillede Tierney sygeplejerske Abigail “Abby” Lockhart i ER, en karakter, der begyndte som en gæsteoptræden i november 1999 og derefter blev udvidet i februar 2000 til en fast fuldtidsrolle som sygeplejerske på skadestuen og senere, efter at hun havde afsluttet sit medicinstudie, som læge. Hun blev genforenet med sin NewsRadio-medspiller Khandi Alexander, som på det tidspunkt også havde en tilbagevendende rolle i ER. I løbet af et år fik Tierneys arbejde på ER en Emmy Award-nominering, en anerkendelse, som hun tilskriver en “saftig” historie med Sally Field som Lockharts mor Maggie Wyczenski, der har en bipolar lidelse.
Tierney bekræftede i april 2008, at hun ville forlade ER kort efter starten af seriens femtende sæson. I oktober 2008 havde hun sin sidste faste optræden i serien efter næsten 10 sæsoner i serien. Hun vendte tilbage for at lave en cameooptræden i yderligere et afsnit senere i 2009 mod slutningen af den sidste sæson.
Tierneys mest profilerede film, mens hun var en del af ER-holdet, var filmen Insomnia fra 2002, som var instrueret af Christopher Nolan. Samme år spillede hun også hovedrollen i Scotland, Pa. hvor hun portrætterede en Lady Macbeth-lignende karakter, der var skrevet specielt til hende af Billy Morrissette, hendes daværende mand. Hun blev rost af kritikerne for sin præstation. Hun samarbejdede også med NewsRadio-forfatteren Joe Furey i en særlig “Working with Joe Furey”-featurette til Fureys film Love and Support.
I 2004 vandt Tierney anden sæsons turnering af Bravo’s Celebrity Poker Showdown mod Lauren Graham, som havde en gæsteturnering i fjerde sæson af NewsRadio. Tierney vendte tilbage til scenen i maj 2006 i en optræden over for Eric McCormack i Off Broadway-premieren af Some Girl(s). Hun medvirkede også i 2008 i filmene Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter og Finding Amanda. Tierney spillede også rollen som Laurel i Off Broadway-stykket Three Changes med Dylan McDermott fra 16. september til 4. oktober 2008.
Tierney vendte tilbage til tv og spillede den tilbagevendende karakter Kelly McPhee i FX-serien Rescue Me i 2009 og 2011 i dens sidste sæson. Hun erstattede Joely Richardson som den kvindelige hovedrolle i tv-serien The Whole Truth på ABC i 2010, efter at Richardson forlod serien for at tilbringe mere tid med sin familie. Tierneys rolle i serien, et juridisk drama produceret af Jerry Bruckheimer, markerede hendes tilbagevenden til fjernsynet efter at være kommet sig efter en brystoperation og kræftbehandlinger. ABC aflyste The Whole Truth efter fire afsnit på grund af lave seertal.
I 2010 blev Tierney medlem af det eksperimentelle teaterkompagni The Wooster Group, der er baseret i New York City. Hun optrådte sammen med Frances McDormand i The Wooster Groups nyopsætning af North Atlantic i 2010, instrueret af Elizabeth LeCompte. Fra 2016-2019 spillede hun feministen Germaine Greere i The Town Hall Affair, også instrueret af LeCompte. Tierney udtænkte selv ideen til dette stykke, der genskaber en rabiat debat om kvindefrigørelse, som Norman Mailer organiserede med prominente feminister i 1971.
I februar 2011 debuterede Tierney på Gate Theatre i Dublin-premieren på Yasmina Rezas God of Carnage (oversættelse af Christopher Hampton) sammen med Ardal O’Hanlon. Også i 2011 medvirkede Tierney i et afsnit af The Office (S8E9: Mrs. California) som Robert Californiens kone.
I september 2012 begyndte Tierney en tilbagevendende rolle i det juridiske drama The Good Wife på CBS, hvor hun spillede Maddie Hayward. I 2013 blev Tierney en del af holdet i Showtimes The Affair, hvor hun spillede Helen Solloway, som hun vandt en Golden Globe Award for i 2016. I 2018 spillede Tierney sammen med Steve Carell og Timothée Chalamet i den mørke familiedramafilm Beautiful Boy, baseret på David Sheffs erindringsbog af samme navn. I 2019 medvirkede Tierney i The Report som “en intens, drevet, lidt hævngerrig antiterrorismeekspert, der er fast besluttet på at bakke op om ethvert program, der lover at skaffe de oplysninger, der kan forhindre et nyt angreb i at finde sted.”.
I 2019 spillede Tierney hovedrollen som Elizabeth i vestkystpremieren af Jen Silvermans skuespil Witch på Geffen Playhouse, instrueret af Marti Lyons.
I marts 2020 blev Tierney en del af castet i Showtimes American Rust. I oktober 2020 blev Tierney en del af castet i Showtimes Your Honor.