Après avoir joué dans plusieurs pièces de théâtre, Tierney s’est installée à Los Angeles, en Californie, en 1987, où elle a décroché son premier rôle dans le film télévisé de Disney intitulé Student Exchange. Le premier rôle principal de Tierney dans un film était un film indépendant à petit budget intitulé Dead Women in Lingerie, qui a été tourné en 24 jours. Bien qu’il soit sorti en DVD en 2005, le film n’est toujours pas sorti en salle.
Tierney a eu un certain nombre de petits rôles au cinéma et à la télévision, ainsi qu’un rôle dans 704 Hauser, un spin-off éphémère de All in the Family en 1994, mais elle a d’abord reçu une exposition nationale régulière avec son rôle principal dans la sitcom NewsRadio de 1995 à 1999. Alors qu’elle faisait partie du casting de NewsRadio, elle a également joué dans plusieurs films à succès de la fin des années 1990 et du début des années 2000, tels que Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature et Welcome to Mooseport.
Après l’annulation de NewsRadio, Tierney a décidé de ne pas jouer dans une autre sitcom :
lorsque NewsRadio a été annulée, […] Je me suis dit, il n’y aura probablement plus quelque chose comme ça pour moi…. Alors ensuite, quand ER a appelé… c’était une façon de rester dans ce qui resterait intéressant pour moi.
De 1999 à 2008, Tierney a joué le rôle de l’infirmière Abigail « Abby » Lockhart sur ER, un personnage qui a commencé comme une apparition invitée en novembre 1999 et qui s’est étendu en février 2000 à un rôle régulier à temps plein en tant qu’infirmière d’urgence et plus tard, après avoir terminé ses études de médecine, en tant que médecin. Elle a retrouvé sa co-star de NewsRadio, Khandi Alexander, qui avait également un rôle récurrent dans Urgences à cette époque. En l’espace d’un an, le travail de Tierney dans ER lui a valu une nomination aux Emmy Awards, une reconnaissance qu’elle attribue à un arc scénaristique « juteux » mettant en scène Sally Field dans le rôle de Maggie Wyczenski, la mère de Lockhart, qui souffre de troubles bipolaires.
Tierney a confirmé en avril 2008 qu’elle quitterait ER peu après le début de la quinzième saison de l’émission. En octobre 2008, elle a fait sa dernière apparition régulière dans la série après près de 10 saisons de présence. Elle est revenue pour faire une apparition camée dans un épisode supplémentaire plus tard en 2009 vers la fin de la dernière saison.
Le film le plus médiatisé de Tierney alors qu’elle faisait partie du casting d’ER était le film Insomnia de 2002, réalisé par Christopher Nolan. La même année, elle a également joué dans Scotland, Pa. où elle incarnait un personnage semblable à Lady Macbeth écrit spécialement pour elle par Billy Morrissette, son mari de l’époque. Elle a été saluée par la critique pour sa performance. Elle a également collaboré avec le scénariste de NewsRadio Joe Furey pour une featurette spéciale « Working with Joe Furey » pour le film Love and Support de Furey.
En 2004, Tierney a remporté le tournoi de la deuxième saison de Celebrity Poker Showdown de Bravo contre Lauren Graham, qui avait un rôle invité dans la quatrième saison de NewsRadio. Tierney est revenue sur scène en mai 2006, dans une apparition face à Eric McCormack dans la première Off Broadway de Some Girl(s). Elle a également joué dans les films Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter et Finding Amanda en 2008. Tierney a également joué le rôle de Laurel dans la pièce de théâtre Off Broadway Three Changes avec Dylan McDermott du 16 septembre au 4 octobre 2008.
Tierney est retournée à la télévision, jouant le personnage récurrent de Kelly McPhee dans la série Rescue Me de FX en 2009 et 2011 pendant sa dernière saison. Elle a remplacé Joely Richardson dans le rôle principal féminin de la série télévisée The Whole Truth, diffusée sur ABC en 2010, après le départ de Richardson pour passer plus de temps avec sa famille. Le rôle de Tierney dans cette série, un drame juridique produit par Jerry Bruckheimer, a marqué son retour à la télévision après une opération du sein et des traitements contre le cancer. ABC a annulé The Whole Truth après quatre épisodes en raison de faibles audiences.
En 2010, Tierney est devenue membre de la compagnie de théâtre expérimental basée à New York, The Wooster Group. Elle a joué aux côtés de Frances McDormand dans la remontée de 2010 de North Atlantic par le Wooster Group, mise en scène par Elizabeth LeCompte. De 2016 à 2019, elle a joué la féministe Germaine Greere dans The Town Hall Affair, également mis en scène par LeCompte. Tierney a elle-même conçu l’idée de cette pièce, qui recrée un débat tapageur sur la libération des femmes que Norman Mailer a organisé avec d’éminentes féministes en 1971.
En février 2011, Tierney a fait ses débuts au Gate Theatre dans la première du Dublin de God of Carnage de Yasmina Reza (traduction de Christopher Hampton) aux côtés d’Ardal O’Hanlon. Toujours en 2011, Tierney est apparue dans un épisode de The Office (S8E9 : Mrs. California) dans le rôle de la femme de Robert California.
En septembre 2012, Tierney a commencé un rôle récurrent dans le drame juridique The Good Wife de CBS, jouant Maddie Hayward. En 2013, Tierney a rejoint le casting de la série The Affair de Showtime, jouant Helen Solloway, pour laquelle elle a remporté le Golden Globe Award en 2016.
En 2018, Tierney a partagé la vedette avec Steve Carell et Timothée Chalamet dans le film dramatique familial sombre Beautiful Boy, basé sur les mémoires du même nom de David Sheff. En 2019, Tierney est apparu dans The Report dans le rôle d’un « expert en contre-terrorisme intense, motivé et quelque peu rancunier, déterminé à se mettre derrière n’importe quel programme qui promet d’obtenir les renseignements qui empêcheront une autre attaque de se produire ».
En 2019, Tierney a tenu le rôle principal d’Elizabeth dans la première de la côte ouest de la pièce de Jen Silverman, Witch, au Geffen Playhouse, dans une mise en scène de Marti Lyons.
En mars 2020, Tierney a rejoint la distribution de la série American Rust de Showtime.
En octobre 2020, Tierney a rejoint la distribution de la série Your Honor de Showtime.