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Strahovski ha iniziato a recitare durante gli anni della scuola quando ha interpretato Viola nella produzione scolastica di Twelfth Night. È apparsa in ruoli cinematografici e televisivi in Australia, compreso un turno nello show satirico Double the Fist e nel ruolo di Freya Lewis nella serie drammatica australiana HeadLand. È apparsa anche in Channel Nine’s Sea Patrol.
Strahovski ha inviato il suo nastro di audizione per la serie TV Chuck mentre si trovava negli Stati Uniti per fare audizioni per ruoli in altri spettacoli, in particolare la serie della NBC del 2007 Bionic Woman. È stata contattata dai produttori di Chuck il giorno dopo per venire a provare le battute con Zachary Levi. I produttori l’hanno richiamata una settimana dopo facendole sapere che era stata scelta per il ruolo di Sarah Walker. Sei mesi dopo, si è trasferita negli Stati Uniti. Strahovski ha adottato l’ortografia più fonetica di Strahovski come nome d’arte al posto di Strzechowski in questo periodo, per volere del produttore Josh Schwartz per una pronuncia più facile.
Strahovski parla correntemente il polacco, e lo ha impiegato in un breve scambio con un collega nell’episodio Chuck “Chuck contro lo Wookiee” e di nuovo negli episodi “Chuck contro le tre parole” e “Chuck contro la luna di miele”. Sebbene rappresenti un’americana nella serie, parla brevemente con un accento australiano “hollywoodiano” nell’episodio “Chuck Versus the Ex”.
Strahovski appare in Mass Effect Galaxy, Mass Effect 2, e Mass Effect 3 come voce di Miranda Lawson. Si è fatta scansionare e animare il viso per poter interpretare Lawson in Mass Effect 2.
Strahovski dà voce ad Aya Brea nella versione inglese dello spinoff Parasite Eve, The 3rd Birthday, uscito nel marzo 2011 per PlayStation Portable. È anche apparsa in uno sketch di CollegeHumor nell’aprile 2011, parodiando gli stili musicali di Katy Perry, Ke$ha, Lady Gaga e Justin Bieber.
Strahovski è apparsa nel film 2011 Killer Elite, accanto a Jason Statham, Clive Owen e Robert De Niro. È apparsa anche nella commedia 2012 The Guilt Trip, al fianco di Seth Rogen e Barbra Streisand.
Nel 2010, Strahovski ha ricevuto il Teen Choice Award per Choice Action TV Actress per Chuck, così come una nomination per Spike Video Game Awards per Best Performance by a Human Female per Mass Effect 2. Nel 2011, Strahovski è stata nominata di nuovo per i Teen Choice Awards per la Choice Action TV Actress. Nel 2011, Cosmopolitan Magazine (Australia) ha nominato Strahovski il Fun Fearless Female of the Year, insieme a Favorite TV Actress.
Nel novembre 2011, Strahovski è stato lanciato come protagonista femminile in I, Frankenstein (2014). Nel marzo 2012, è apparsa in un nuovo spot della SoBe Life. E nel maggio 2012, Strahovski si è classificata n. 35 nella Maxim Hot 100. Nel giugno 2012, Showtime ha annunciato che Strahovski si è unita al cast della settima stagione di Dexter in cui interpreta il ruolo di Hannah McKay, una donna coinvolta in un’indagine in seguito alla morte del suo ex amante, uno spree killer che ha accompagnato quando era un’adolescente. Ha ripreso il suo ruolo di Hannah McKay nell’ottava stagione di Dexter.
Nel dicembre 2012, ha fatto il suo debutto a Broadway in un revival di Golden Boy di Clifford Odets, per il quale ha vinto un Theatre World Award. Strahovski è stata premiata insieme a Liam Hemsworth per il loro lavoro in ruoli internazionali con il 2012 Australian in Film Breakthrough Award.
Nel 2014, Strahovski si è unita alla serie televisiva 24: Live Another Day della Fox nel ruolo di Kate Morgan, agente della CIA. Più tardi nello stesso anno, è stata scritturata come Rene Carpenter nella serie limitata della ABC The Astronaut Wives Club. Nel 2016, ha recitato, insieme ad Adrien Brody, nel ruolo di Caroline Crowley nel film noir Manhattan Night. È stata presente nella Maxim Hot 100 dal 2009 al 2013.
Dal 2017, ha interpretato Serena Joy Waterford nell’acclamata serie drammatica di Hulu The Handmaid’s Tale. Per la sua performance, Strahovski si è guadagnata una nomination ai Primetime Emmy Award per Outstanding Supporting Actress in a Drama Series nel 2018.