Después de aparecer en varias obras de teatro, Tierney se trasladó a Los Ángeles, California, en 1987, donde su gran oportunidad fue un papel en la película de Disney hecha para la televisión Student Exchange. El primer papel protagonista de Tierney en una película fue en una película independiente de bajo presupuesto llamada Dead Women in Lingerie, que se rodó en 24 días. A pesar de que se editó en DVD en 2005, la película aún no se ha estrenado en los cines.
Tierney tuvo una serie de pequeños papeles en el cine y la televisión y un papel co-protagonista en 704 Hauser, un corto spin-off de 1994 de All in the Family, pero primero recibió una exposición nacional regular con su papel protagonista en la comedia NewsRadio de 1995 a 1999. Mientras formaba parte del reparto de NewsRadio, también protagonizó varias películas de éxito a finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, como Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature y Welcome to Mooseport.
Después de la cancelación de NewsRadio, Tierney decidió no protagonizar otra comedia de situación:
Cuando se canceló NewsRadio, … …pensé que probablemente no iba a haber algo así de nuevo para mí… Así que entonces, cuando ER llamó … que era una manera de permanecer en que seguiría siendo interesante para mí.
De 1999 a 2008, Tierney interpretó a la enfermera Abigail «Abby» Lockhart en ER, un personaje que comenzó como una aparición de invitados en noviembre de 1999 y luego se amplió en febrero de 2000 a un papel regular a tiempo completo como una enfermera de urgencias y más tarde después de la finalización de la escuela de medicina, un médico. Se reunió con su compañera de reparto en NewsRadio, Khandi Alexander, que por aquel entonces también tenía un papel recurrente en Urgencias. Al cabo de un año, el trabajo de Tierney en Urgencias le valió una nominación a los premios Emmy, un reconocimiento que ella atribuye a un «jugoso» arco argumental protagonizado por Sally Field en el papel de Maggie Wyczenski, la madre de Lockhart, que padece un trastorno bipolar.
Tierney confirmó en abril de 2008 que dejaría Urgencias poco después del comienzo de la decimoquinta temporada de la serie. En octubre de 2008, hizo su última aparición regular en la serie después de casi 10 temporadas en el programa. Volvió para hacer un cameo en un episodio adicional más tarde en 2009 hacia el final de la última temporada.
La película más destacada de Tierney mientras formaba parte del reparto de ER fue la película de 2002 Insomnia, que fue dirigida por Christopher Nolan. Ese mismo año, también protagonizó Scotland, Pa., donde interpretó un personaje similar al de Lady Macbeth, escrito específicamente para ella por Billy Morrissette, su marido por aquel entonces. La crítica la elogió por su interpretación. También colaboró con el guionista de NewsRadio Joe Furey para un reportaje especial «Trabajando con Joe Furey» para la película de Furey Love and Support.
En 2004, Tierney ganó el torneo de la segunda temporada de Bravo’s Celebrity Poker Showdown contra Lauren Graham, que tuvo un papel invitado en la cuarta temporada de NewsRadio. Tierney volvió a los escenarios en mayo de 2006 en una aparición junto a Eric McCormack en el estreno en Off Broadway de Some Girl(s). También apareció en las películas de 2008 Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter y Finding Amanda. Tierney también interpretó el papel de Laurel en la obra Off Broadway Three Changes con Dylan McDermott del 16 de septiembre al 4 de octubre de 2008.
Tierney volvió a la televisión, interpretando el personaje recurrente Kelly McPhee en la serie de FX Rescue Me en 2009 y 2011 durante su temporada final. Sustituyó a Joely Richardson como protagonista femenina de la serie de televisión de ABC de 2010 The Whole Truth después de que Richardson se marchara para pasar más tiempo con su familia. El papel de Tierney en la serie, un drama legal producido por Jerry Bruckheimer, supuso su regreso a la televisión tras recuperarse de una operación de pecho y de los tratamientos contra el cáncer. ABC canceló The Whole Truth después de cuatro episodios debido a los bajos índices de audiencia.
En 2010, Tierney se convirtió en miembro de la compañía de teatro experimental con sede en Nueva York The Wooster Group. Actuó junto a Frances McDormand en la reposición de North Atlantic de 2010 del Wooster Group, dirigida por Elizabeth LeCompte. De 2016 a 2019, interpretó a la feminista Germaine Greere en The Town Hall Affair, también dirigida por LeCompte. La propia Tierney concibió la idea de esta obra, que recrea un estridente debate sobre la liberación de la mujer que Norman Mailer organizó con destacadas feministas en 1971.
En febrero de 2011, Tierney debutó en el Gate Theatre en el estreno en Dublín de God of Carnage, de Yasmina Reza (traducción de Christopher Hampton), junto a Ardal O’Hanlon. También en 2011, Tierney apareció en un episodio de The Office (S8E9: Mrs. California) como la esposa de Robert California.
En septiembre de 2012, Tierney comenzó un papel recurrente en el drama legal de la CBS The Good Wife, interpretando a Maddie Hayward. En 2013, Tierney se unió al reparto de la serie de Showtime The Affair, interpretando a Helen Solloway, por la que ganó el premio Globo de Oro en 2016.
En 2018, Tierney coprotagonizó con Steve Carell y Timothée Chalamet la película de drama familiar oscuro Beautiful Boy, basada en las memorias homónimas de David Sheff. En 2019, Tierney apareció en The Report como «una intensa, impulsada y algo vengativa experta en contraterrorismo decidida a ponerse detrás de cualquier programa que prometa conseguir la información que impida que se produzca otro ataque».
En 2019, Tierney originó el papel principal de Elizabeth en el estreno en la Costa Oeste de la obra de Jen Silverman Witch en el Geffen Playhouse, dirigida por Marti Lyons.
En marzo de 2020, Tierney se unió al elenco de la serie de Showtime American Rust.
En octubre de 2020, Tierney se unió al elenco de Showtime’s Your Honor.