A több színdarabban való szereplés után Tierney 1987-ben a kaliforniai Los Angelesbe költözött, ahol a nagy áttörést a Disney Diákcsere című tévéfilmjében kapott szerepe hozta meg számára. Tierney első filmszerepe egy alacsony költségvetésű független filmben volt, a Dead Women in Lingerie című filmben, amelyet 24 nap alatt forgattak le. Annak ellenére, hogy 2005-ben DVD-n megjelent, a film még nem került a mozikba.
Tierney számos kisebb filmes és televíziós szerepet kapott, valamint társszerepet a 704 Hauserben, az All in the Family rövid életű 1994-es spin-offjában, de először a NewsRadio című sitcom főszerepével kapott rendszeres országos ismertséget 1995 és 1999 között. Miközben a NewsRadio szereplőgárdájának tagja volt, az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején több sikeres filmben is szerepelt, mint például a Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature és a Welcome to Mooseport.
A NewsRadio megszüntetése után Tierney úgy döntött, hogy nem játszik újabb sitcomban:
mikor a NewsRadio-t törölték, … Azt gondoltam, valószínűleg nem lesz még egyszer valami hasonló számomra… Így aztán, amikor az ER hívott … ez egy olyan lehetőség volt, hogy bent maradjak, ami érdekes marad számomra.”
1999-től 2008-ig Tierney játszotta Abigail “Abby” Lockhart nővért az ER-ben, a karaktert, amely vendégszereplésként kezdődött 1999 novemberében, majd 2000 februárjában bővült teljes munkaidős állandó szerepre, mint sürgősségi nővér, majd később az orvosi egyetem elvégzése után orvos. Újra összeállt a NewsRadio sztárjával, Khandi Alexanderrel, aki abban az időben szintén visszatérő szerepet kapott az ER-ben. Egy éven belül Tierney munkája az ER-ben Emmy-díj jelölést hozott neki, amit egy “szaftos” történetnek tulajdonít, amelyben Sally Field alakította Lockhart édesanyját, Maggie Wyczenskit, aki bipoláris zavarban szenved.
Tierney 2008 áprilisában megerősítette, hogy nem sokkal a sorozat tizenötödik évadának kezdete után távozik az ER-ből. 2008 októberében volt az utolsó rendszeres szereplése a sorozatban, miután közel 10 évadot töltött a sorozatban. Később, 2009-ben, az utolsó évad vége felé visszatért, hogy egy további epizódban kámeaszerepeljen.
Tierney legismertebb filmje, amíg az ER szereplői közé tartozott, a 2002-es Insomnia című film volt, amelyet Christopher Nolan rendezett. Ugyanebben az évben szerepelt a Scotland, Pa. című filmben is, ahol egy Lady Macbeth-szerű karaktert alakított, amelyet akkori férje, Billy Morrissette kifejezetten neki írt. A kritikusok dicsérték alakításáért. A HírRádió írójával, Joe Furey-vel is együtt dolgozott egy különleges “Working with Joe Furey” featurette-ben Furey Love and Support című filmjéhez.
2004-ben Tierney megnyerte a Bravo’s Celebrity Poker Showdown második évadának versenyét Lauren Graham ellen, aki vendégszerepet kapott a HírRádió negyedik évadában. Tierney 2006 májusában tért vissza a színpadra, amikor Eric McCormackkal szemben szerepelt a Some Girl(s) Off Broadway premierjében. Szerepelt még a 2008-as Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter és Finding Amanda című filmekben. Tierney játszotta Laurel szerepét is a Three Changes című Off Broadway darabban Dylan McDermottal 2008. szeptember 16. és október 4. között.
Tierney visszatért a televízióba, 2009-ben és 2011-ben az FX Rescue Me című sorozatának utolsó évadában játszotta Kelly McPhee visszatérő karakterét. 2010-ben Joely Richardsont váltotta az ABC televízió The Whole Truth című sorozatának női főszerepében, miután Richardson távozott, hogy több időt tölthessen a családjával. Tierney szerepe a sorozatban, amely egy Jerry Bruckheimer által gyártott jogi dráma, jelentette a visszatérését a televíziózáshoz, miután felépült a mellműtétből és a rákos kezelésekből. Az ABC négy epizód után törölte a The Whole Truth-ot az alacsony nézettség miatt.
2010-ben Tierney tagja lett a New York-i székhelyű kísérleti színházi társulatnak, a The Wooster Group-nak. Frances McDormanddal együtt játszott a Wooster Group 2010-es North Atlantic című előadásában, amelyet Elizabeth LeCompte rendezett. 2016-2019 között a feminista Germaine Greere-t alakította a The Town Hall Affair című darabban, amelyet szintén LeCompte rendezett. Tierney maga találta ki a darab ötletét, amely egy zajos vitát dolgoz fel a nők felszabadításáról, amelyet Norman Mailer szervezett neves feministákkal 1971-ben.
2011 februárjában Tierney debütált a Gate Theatre-ben Yasmina Reza God of Carnage című művének dublini bemutatójában (Christopher Hampton fordítása) Ardal O’Hanlon oldalán. Szintén 2011-ben Tierney szerepelt a The Office egy epizódjában (S8E9: Mrs. California) Robert California feleségeként.
2012 szeptemberében Tierney visszatérő szerepet kapott a CBS jogi drámájában, a The Good Wife-ban, ahol Maddie Haywardot alakította. 2013-ban Tierney csatlakozott a Showtime The Affair című sorozatához, ahol Helen Sollowayt alakította, amiért 2016-ban Golden Globe-díjat kapott.
2018-ban Tierney Steve Carell és Timothée Chalamet oldalán szerepelt a Beautiful Boy című sötét családi drámában, amely David Sheff azonos című memoárja alapján készült. 2019-ben Tierney a The Report című filmben tűnt fel, mint “egy intenzív, céltudatos, kissé bosszúálló terrorelhárítási szakértő, aki eltökélten áll minden olyan program mögé, amely olyan információk megszerzését ígéri, amelyek megakadályozhatnak egy újabb támadást.”.
2019-ben Tierney alakította Elizabeth főszerepét Jen Silverman Witch című darabjának nyugati parti premierjében a Geffen Playhouse-ban, Marti Lyons rendezésében.
2020 márciusában Tierney csatlakozott a Showtime Amerikai rozsda című sorozatának szereplőihez.
2020 októberében Tierney csatlakozott a Showtime Your Honor című sorozatának szereplőihez.