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Strahovski a commencé à jouer la comédie pendant sa scolarité lorsqu’elle a interprété Viola dans la production scolaire de Twelfth Night. Elle est apparue dans des rôles au cinéma et à la télévision en Australie, notamment un tour dans l’émission satirique Double the Fist et le rôle de Freya Lewis dans la série dramatique australienne headLand. Elle est également apparue dans la série Sea Patrol de Channel Nine.
Strahovski a envoyé sa cassette d’audition pour la série télévisée Chuck alors qu’elle se trouvait aux États-Unis pour auditionner des rôles dans d’autres séries, notamment la série Bionic Woman de NBC en 2007. Le lendemain, les producteurs de Chuck l’ont contactée pour qu’elle vienne donner la réplique à Zachary Levi. Les producteurs l’ont rappelée une semaine plus tard pour lui annoncer qu’elle avait été retenue pour le rôle de Sarah Walker. Six mois plus tard, elle s’installe aux États-Unis. Strahovski a adopté l’orthographe plus phonétique de Strahovski comme nom de scène à la place de Strzechowski à cette époque, à la demande du producteur Josh Schwartz pour une prononciation plus facile.
Strahovski parle couramment le polonais, et l’a employé dans un bref échange avec un collègue dans l’épisode de Chuck « Chuck Versus the Wookiee » et à nouveau dans les épisodes « Chuck Versus the Three Words » et « Chuck Versus the Honeymooners ». Bien qu’elle incarne une Américaine dans la série, elle a brièvement parlé avec un accent australien « hollywoodien » dans l’épisode « Chuck Versus the Ex ».
Strahovski apparaît dans Mass Effect Galaxy, Mass Effect 2 et Mass Effect 3 en tant que voix de Miranda Lawson. Elle a fait scanner et animer son visage pour pouvoir incarner Lawson dans Mass Effect 2.
Strahovski prête sa voix à Aya Brea dans la version anglaise du spinoff de Parasite Eve, The 3rd Birthday, sorti en mars 2011 sur PlayStation Portable. Elle est également apparue dans un sketch de CollegeHumor en avril 2011, parodiant les styles musicaux de Katy Perry, Ke$ha, Lady Gaga et Justin Bieber.
Strahovski est apparue dans le film Killer Elite en 2011, aux côtés de Jason Statham, Clive Owen et Robert De Niro. Elle est également apparue dans la comédie The Guilt Trip en 2012, aux côtés de Seth Rogen et Barbra Streisand.
En 2010, Strahovski a reçu le Teen Choice Award de l’actrice d’action télévisuelle pour Chuck, ainsi qu’une nomination aux Spike Video Game Awards pour la meilleure performance par une femme humaine pour Mass Effect 2. En 2011, Strahovski a de nouveau été nominée aux Teen Choice Awards pour le prix de l’actrice d’action télévisée. En 2011, le magazine Cosmopolitan (Australie) a nommé Strahovski la Fun Fearless Female of the Year, ainsi que l’actrice de télévision préférée.
En novembre 2011, Strahovski a obtenu le rôle principal féminin dans I, Frankenstein (2014). En mars 2012, elle est apparue dans une nouvelle publicité de SoBe Life. Et en mai 2012, Strahovski s’est classée à la 35e place du Maxim Hot 100. En juin 2012, Showtime annonce que Strahovski a rejoint le casting de la septième saison de Dexter dans laquelle elle joue le rôle de Hannah McKay, une femme impliquée dans une enquête suite à la mort de son ancien amant, un tueur compulsif qu’elle a accompagné lorsqu’elle était adolescente. Elle reprend son rôle d’Hannah McKay dans la huitième saison de Dexter.
En décembre 2012, elle fait ses débuts à Broadway dans une reprise de Golden Boy de Clifford Odets, pour laquelle elle remporte un Theatre World Award. Strahovski a été honorée avec Liam Hemsworth pour leur travail dans des rôles internationaux avec le 2012 Australians in Film Breakthrough Award.
En 2014, Strahovski a rejoint la série télévisée de Fox 24 : Live Another Day au casting en tant que Kate Morgan, agent de la CIA. Plus tard dans l’année, elle a obtenu le rôle de Rene Carpenter dans la série limitée d’ABC, The Astronaut Wives Club. En 2016, elle a joué, aux côtés d’Adrien Brody, le rôle de Caroline Crowley dans le film noir Manhattan Night. Elle a figuré dans le Maxim Hot 100 de 2009 à 2013.
Depuis 2017, elle joue le rôle de Serena Joy Waterford dans la série dramatique acclamée de Hulu, The Handmaid’s Tale. Pour sa performance, Strahovski a obtenu une nomination aux Primetime Emmy Awards dans la catégorie » Meilleure actrice dans un second rôle dans une série dramatique » en 2018.