Nachdem sie in mehreren Theaterstücken mitgewirkt hatte, zog Tierney 1987 nach Los Angeles, Kalifornien, wo ihr großer Durchbruch eine Rolle in Disneys Fernsehfilm Student Exchange war. Tierneys erste Hauptrolle in einem Film war in einem Low-Budget-Independent-Film namens Dead Women in Lingerie, der in 24 Tagen gedreht wurde. Obwohl der Film 2005 auf DVD veröffentlicht wurde, ist er noch nicht in die Kinos gekommen.
Tierney hatte eine Reihe kleinerer Rollen in Film und Fernsehen und eine Co-Hauptrolle in 704 Hauser, einem kurzlebigen Spin-off von All in the Family aus dem Jahr 1994, wurde aber erst durch ihre Hauptrolle in der Sitcom NewsRadio von 1995 bis 1999 landesweit bekannt. Während sie Teil der NewsRadio-Besetzung war, spielte sie auch in mehreren erfolgreichen Filmen der späten 1990er und frühen 2000er Jahre wie Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature und Welcome to Mooseport mit.
Nachdem NewsRadio abgesetzt wurde, beschloss Tierney, nicht in einer weiteren Sitcom mitzuspielen:
als NewsRadio abgesetzt wurde, … dachte ich, so etwas wird es wahrscheinlich nicht mehr für mich geben… Als dann ER anrief … war das eine Möglichkeit, dabei zu bleiben, die für mich interessant bleiben würde.
Von 1999 bis 2008 spielte Tierney die Krankenschwester Abigail „Abby“ Lockhart in ER, eine Figur, die im November 1999 als Gastauftritt begann und dann im Februar 2000 zu einer regulären Vollzeitrolle als Krankenschwester in der Notaufnahme und später, nach Abschluss des Medizinstudiums, als Ärztin ausgebaut wurde. Sie wurde wieder mit ihrer NewsRadio-Kollegin Khandi Alexander zusammengebracht, die zu dieser Zeit ebenfalls eine wiederkehrende Rolle in ER hatte. Innerhalb eines Jahres wurde Tierney für ihre Arbeit bei ER für einen Emmy Award nominiert, eine Anerkennung, die sie einem „saftigen“ Handlungsbogen mit Sally Field als Lockharts Mutter Maggie Wyczenski, die an einer bipolaren Störung leidet, zuschreibt.
Tierney bestätigte im April 2008, dass sie ER kurz nach Beginn der fünfzehnten Staffel verlassen würde. Im Oktober 2008 hatte sie ihren letzten regulären Auftritt in der Serie, nachdem sie fast 10 Staffeln lang dabei war. Sie kehrte zurück, um einen Cameo-Auftritt in einer weiteren Episode später im Jahr 2009 gegen Ende der letzten Staffel zu machen.
Tierneys bekanntester Film, während sie Teil der ER-Besetzung war, war der Film Insomnia aus dem Jahr 2002, der von Christopher Nolan inszeniert wurde. Im selben Jahr spielte sie auch die Hauptrolle in Scotland, Pa., wo sie eine Lady Macbeth-ähnliche Figur darstellte, die Billy Morrissette, ihr damaliger Ehemann, speziell für sie geschrieben hatte. Sie wurde von den Kritikern für ihre Leistung gelobt. Sie arbeitete auch mit NewsRadio-Autor Joe Furey für ein spezielles Featurette „Working with Joe Furey“ für Fureys Film Love and Support zusammen.
2004 gewann Tierney das Turnier der zweiten Staffel von Bravos Celebrity Poker Showdown gegen Lauren Graham, die eine Gastrolle in der vierten Staffel von NewsRadio hatte. Im Mai 2006 kehrte Tierney auf die Bühne zurück und spielte neben Eric McCormack in der Off-Broadway-Premiere von Some Girl(s). Außerdem spielte sie 2008 in den Filmen Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter und Finding Amanda mit. Tierney spielte auch die Rolle der Laurel in dem Off-Broadway-Stück Three Changes mit Dylan McDermott vom 16. September bis 4. Oktober 2008.
Tierney kehrte zum Fernsehen zurück und spielte die wiederkehrende Figur Kelly McPhee in der FX-Serie Rescue Me in den Jahren 2009 und 2011 während der letzten Staffel. 2010 ersetzte sie Joely Richardson als weibliche Hauptrolle in der ABC-Fernsehserie The Whole Truth, nachdem Richardson die Serie verlassen hatte, um mehr Zeit mit ihrer Familie zu verbringen. Tierneys Rolle in der Serie, einem von Jerry Bruckheimer produzierten Rechtsdrama, markierte ihre Rückkehr zum Fernsehen, nachdem sie sich von einer Brustoperation und Krebsbehandlung erholt hatte. ABC setzte The Whole Truth nach vier Episoden ab, da die Einschaltquoten zu niedrig waren.
2010 wurde Tierney Mitglied der experimentellen Theatergruppe The Wooster Group in New York City. Sie spielte zusammen mit Frances McDormand in der Neuinszenierung von North Atlantic der Wooster Group aus dem Jahr 2010 unter der Regie von Elizabeth LeCompte. Von 2016-2019 spielte sie die Feministin Germaine Greere in The Town Hall Affair, ebenfalls unter der Regie von LeCompte. Tierney selbst hatte die Idee zu diesem Stück, das eine lautstarke Debatte über Frauenbefreiung nachstellt, die Norman Mailer 1971 mit prominenten Feministinnen veranstaltete.
Im Februar 2011 gab Tierney ihr Debüt am Gate Theatre in der Dubliner Premiere von Yasmina Rezas God of Carnage (Übersetzung von Christopher Hampton) an der Seite von Ardal O’Hanlon. Ebenfalls 2011 trat Tierney in einer Folge von The Office (S8E9: Mrs. California) als Robert Californias Ehefrau auf.
Im September 2012 begann Tierney eine wiederkehrende Rolle in dem CBS-Justizdrama The Good Wife und spielte Maddie Hayward. 2013 schloss sich Tierney der Besetzung von Showtime’s The Affair an und spielte Helen Solloway, für die sie 2016 den Golden Globe Award gewann.
Im Jahr 2018 spielte Tierney neben Steve Carell und Timothée Chalamet in dem düsteren Familiendrama Beautiful Boy, das auf den gleichnamigen Memoiren von David Sheff basiert. 2019 erschien Tierney in The Report als „eine intensive, getriebene, etwas rachsüchtige Anti-Terrorismus-Expertin, die entschlossen ist, sich hinter jedes Programm zu stellen, das verspricht, die Informationen zu bekommen, die einen weiteren Anschlag verhindern werden.“
Im Jahr 2019 spielte Tierney die Hauptrolle der Elizabeth in der Westküsten-Premiere von Jen Silvermans Stück Witch am Geffen Playhouse unter der Regie von Marti Lyons.
Im März 2020 trat Tierney der Besetzung von Showtime’s American Rust bei.
Im Oktober 2020 trat Tierney der Besetzung von Showtime’s Your Honor bei.