Näytteltyään useissa näytelmissä Tierney muutti Los Angelesiin, Kaliforniaan vuonna 1987, jossa hänen suuri läpimurtonsa oli rooli Disneyn tv-elokuvassa Student Exchange. Tierneyn ensimmäinen elokuvan pääosarooli oli pienen budjetin independent-elokuvassa Dead Women in Lingerie, joka kuvattiin 24 päivässä. Vaikka elokuva sai DVD-julkaisun vuonna 2005, se ei ole vielä saanut myös teatterilevitystä.
Tierneylla oli useita pieniä rooleja elokuvissa ja televisiossa sekä toinen pääosarooli 704 Hauserissa, All in the Family -sarjan lyhytikäisessä spin-off-sarjassa vuonna 1994, mutta ensimmäisen kerran hän sai säännöllistä valtakunnallista näkyvyyttä pääroolinsa komediasarjassa NewsRadio vuosina 1995-1999. NewsRadion näyttelijäkaartissa ollessaan hän näytteli myös useissa 1990-luvun lopun ja 2000-luvun alun menestyksekkäissä elokuvissa, kuten Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature ja Welcome to Mooseport.
Kun NewsRadio peruttiin, Tierney päätti olla näyttelemättä enää toisessa komediasarjassa:
Kun NewsRadio peruttiin, … Ajattelin, että minulle ei varmaankaan tule enää mitään vastaavaa…. Joten sitten, kun ER kutsui … se oli tapa pysyä mukana, joka pysyisi kiinnostavana minulle.
Vuosina 1999-2008 Tierney näytteli ER:ssä sairaanhoitaja Abigail ”Abby” Lockhartia, hahmoa, joka aloitti vierailevana esiintymisenä marraskuussa 1999 ja laajeni sitten helmikuussa 2000 kokoaikaiseksi vakituiseksi rooliksi päivystyssairaanhoitajana ja myöhemmin lääketieteellisen koulun suorittamisen jälkeen lääkärinä. Hän yhdistyi uudelleen NewsRadio-tähti Khandi Alexanderin kanssa, jolla oli tuolloin myös toistuva rooli ER:ssä. Vuoden sisällä Tierneyn työ ER:ssä toi hänelle Emmy-ehdokkuuden, tunnustuksen, jota hän kiittää ”mehukkaasta” tarinakaaresta, jossa Sally Field näytteli Lockhartin äitiä Maggie Wyczenskia, jolla on kaksisuuntainen mielialahäiriö.
Tierney vahvisti huhtikuussa 2008, että hän jättäisi ER:n pian sarjan viidennentoista tuotantokauden alettua. Lokakuussa 2008 hän teki viimeisen säännöllisen esiintymisensä sarjassa lähes 10 kauden jälkeen. Hän palasi tekemään cameo-esiintymisen yhdessä lisäjaksossa myöhemmin vuonna 2009 viimeisen kauden loppupuolella.
Tierneyn tunnetuin elokuva hänen ollessaan ER:n näyttelijäkaartiin kuuluneena oli vuonna 2002 ilmestynyt elokuva Unettomuus (Insomnia, 2002 englanniksi: Insomnia), jonka ohjasi Christopher Nolan. Samana vuonna hän näytteli myös elokuvassa Scotland, Pa. jossa hän esitti Lady Macbethin kaltaista hahmoa, jonka Billy Morrissette, hänen silloinen aviomiehensä, oli kirjoittanut nimenomaan häntä varten. Kriitikot ylistivät hänen suoritustaan. Hän teki myös yhteistyötä NewsRadion käsikirjoittajan Joe Fureyn kanssa erityisessä ”Working with Joe Furey” -featuretissa Fureyn elokuvaan Rakkautta ja tukea.
Vuonna 2004 Tierney voitti Bravon Celebrity Poker Showdownin toisen kauden turnauksen Lauren Grahamia vastaan, jolla oli vierasrooli NewsRadion neljännellä kaudella. Tierney palasi näyttämölle toukokuussa 2006 esiintymällä Eric McCormackia vastapäätä Off Broadwayn ensi-illassa Some Girl(s). Hän esiintyi myös vuonna 2008 elokuvissa Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter ja Finding Amanda. Tierney näytteli myös Laurelin roolin Off Broadway -näytelmässä Three Changes yhdessä Dylan McDermottin kanssa 16. syyskuuta – 4. lokakuuta 2008.
Tierney palasi televisioon näyttelemällä toistuvaa hahmoa Kelly McPhee FX:n sarjassa Rescue Me vuosina 2009 ja 2011 sen viimeisellä kaudella. Hän korvasi Joely Richardsonin naispääosassa ABC:n televisiosarjassa The Whole Truth vuonna 2010 Richardsonin lähdettyä viettämään enemmän aikaa perheensä kanssa. Tierneyn rooli sarjassa, Jerry Bruckheimerin tuottamassa juridisessa draamassa, merkitsi hänen paluutaan televisioon rintaleikkauksesta ja syöpähoidoista toipumisen jälkeen. ABC peruutti The Whole Truthin neljän jakson jälkeen alhaisen katsojaluvun vuoksi.
Vuonna 2010 Tierney liittyi New Yorkissa toimivan kokeellisen teatteriryhmän The Wooster Groupin jäseneksi. Hän esiintyi yhdessä Frances McDormandin kanssa Wooster Groupin vuoden 2010 uusintaesityksessä North Atlantic, jonka ohjasi Elizabeth LeCompte. Vuosina 2016-2019 hän näytteli feministi Germaine Greereä The Town Hall Affair -elokuvassa, jonka on myös ohjannut LeCompte. Tierney keksi itse idean tähän näytelmään, joka rekonstruoi Norman Mailerin vuonna 1971 järjestämän riehakkaan naisten vapautusta käsittelevän keskustelun tunnettujen feministien kanssa.
Helmikuussa 2011 Tierney debytoi Gate-teatterissa Dublinin ensi-illassa Yasmina Rezan God of Carnage -teoksessa (Christopher Hamptonin käännös) Ardal O’Hanlonin rinnalla. Niin ikään vuonna 2011 Tierney esiintyi yhdessä The Office -sarjan jaksossa (S8E9: Mrs. California) Robert Californian vaimona.
Syyskuussa 2012 Tierney aloitti toistuvan roolin CBS:n oikeudellisessa draamasarjassa The Good Wife, jossa hän näytteli Maddie Haywardia. Vuonna 2013 Tierney liittyi Showtimen The Affair -sarjan näyttelijäkaartiin näyttelemällä Helen Sollowayta, josta hän voitti Golden Globe -palkinnon vuonna 2016.
Vuonna 2018 Tierney näytteli Steve Carellin ja Timothée Chalametin kanssa synkässä perhedraamaelokuvassa Kaunis poika (Beautiful Boy), joka perustuu David Sheffin samannimiseen muistelmateokseen. Vuonna 2019 Tierney esiintyi elokuvassa The Report ”intensiivisenä, motivoituneena ja hieman kostonhimoisena terrorisminvastaisen toiminnan asiantuntijana, joka on päättänyt päästä minkä tahansa ohjelman taakse, joka lupaa saada tietoja, jotka estävät uuden hyökkäyksen tapahtumasta”.
Vuonna 2019 Tierney esitti Elizabethin pääroolin Jen Silvermanin näytelmän Witch länsirannikon ensi-illassa Geffen Playhousessa Marti Lyonsin ohjaamana.
Maaliskuussa 2020 Tierney liittyi Showtimen American Rustin näyttelijäkaartiin.
Lokakuussa 2020 Tierney liittyi Showtimen Your Honorin näyttelijäkaartiin.