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Strahovski comenzó a actuar durante sus años de escolaridad cuando interpretó a Viola en la producción escolar de Noche de Reyes. Apareció en papeles de cine y televisión en Australia, incluyendo un turno en el programa satírico Double the Fist y como Freya Lewis en la serie dramática australiana headLand. También ha aparecido en la serie Sea Patrol de Channel Nine.
Strahovski envió su cinta de audición para la serie de televisión Chuck mientras estaba en Estados Unidos haciendo pruebas para papeles en otros programas, concretamente en la serie Bionic Woman de la NBC en 2007. Los productores de Chuck se pusieron en contacto con ella al día siguiente para que fuera a hacer unas pruebas con Zachary Levi. Los productores la llamaron una semana después para comunicarle que había sido elegida para el papel de Sarah Walker. Seis meses después, se trasladó a Estados Unidos. Strahovski adoptó la ortografía más fonética de Strahovski como su nombre artístico en lugar de Strzechowski en este momento, a instancias del productor Josh Schwartz para facilitar la pronunciación.
Strahovski habla polaco con fluidez, y lo empleó en un breve intercambio con un colega en el episodio de Chuck «Chuck Versus the Wookiee» y de nuevo en los episodios «Chuck Versus the Three Words» y «Chuck Versus the Honeymooners». Aunque interpreta a una estadounidense en la serie, habló brevemente con acento australiano «hollywoodiense» en el episodio «Chuck Versus the Ex».
Strahovski aparece en Mass Effect Galaxy, Mass Effect 2 y Mass Effect 3 como la voz de Miranda Lawson. Se escaneó y animó su cara para poder interpretar a Lawson en Mass Effect 2.
Strahovski pone voz a Aya Brea en la versión inglesa del spinoff de Parasite Eve, The 3rd Birthday, que salió a la venta en marzo de 2011 para la PlayStation Portable. También apareció en un sketch de CollegeHumor en abril de 2011, parodiando los estilos musicales de Katy Perry, Ke$ha, Lady Gaga y Justin Bieber.
Strahovski apareció en la película de 2011 Killer Elite, junto a Jason Statham, Clive Owen y Robert De Niro. También apareció en la comedia de 2012 The Guilt Trip, junto a Seth Rogen y Barbra Streisand.
En 2010, Strahovski recibió el Premio Teen Choice a la Actriz de Acción de Televisión por Chuck, así como una nominación a los Premios Spike de Videojuegos a la Mejor Interpretación de una Mujer Humana por Mass Effect 2. En 2011, Strahovski fue nominada de nuevo a los Teen Choice Awards como Actriz de Acción en TV. En 2011, la revista Cosmopolitan (Australia) nombró a Strahovski la Mujer Intrépida Divertida del Año, junto con la Actriz de Televisión Favorita.
En noviembre de 2011, Strahovski fue elegida como la protagonista femenina de I, Frankenstein (2014). En marzo de 2012, apareció en un nuevo anuncio de SoBe Life. Y en mayo de 2012, Strahovski ocupó el puesto número 35 en Maxim Hot 100. En junio de 2012, Showtime anunció que Strahovski se había unido al reparto de la séptima temporada de Dexter, en la que interpreta el papel de Hannah McKay, una mujer involucrada en una investigación tras la muerte de su antiguo amante, un asesino en serie al que acompañó cuando era adolescente. Repitió su papel de Hannah McKay en la octava temporada de Dexter.
En diciembre de 2012, debutó en Broadway en una reposición de la obra Golden Boy de Clifford Odets, por la que ganó un premio Theatre World. Strahovski fue galardonada junto a Liam Hemsworth por su trabajo en papeles internacionales con el premio Australians in Film Breakthrough Award de 2012.
En 2014, Strahovski se unió al reparto de la serie de televisión de Fox 24: Live Another Day como Kate Morgan, agente de la CIA. Más tarde, ese mismo año, fue elegida para interpretar a Rene Carpenter en la serie limitada de ABC The Astronaut Wives Club. En 2016, protagonizó, junto a Adrien Brody, el papel de Caroline Crowley en la película de cine negro Manhattan Night. Apareció en Maxim Hot 100 de 2009 a 2013.
Desde 2017, ha protagonizado el papel de Serena Joy Waterford en la aclamada serie dramática de Hulu The Handmaid’s Tale. Por su interpretación, Strahovski obtuvo una nominación al Premio Primetime Emmy a la Actriz de Reparto Sobresaliente en una Serie Dramática en 2018.