Na in verschillende toneelstukken te hebben gespeeld, verhuisde Tierney in 1987 naar Los Angeles, Californië, waar ze haar grote doorbraak beleefde met een rol in Disney’s televisiefilm Student Exchange. Tierney’s eerste hoofdrol in een film was in een low-budget onafhankelijke film genaamd Dead Women in Lingerie, die in 24 dagen werd opgenomen. Ondanks het feit dat de film in 2005 op DVD werd uitgebracht, heeft hij nog geen bioscooprelease gekregen.
Tierney had een aantal kleine rollen in film en televisie en een hoofdrol in 704 Hauser, een kortstondige spin-off van All in the Family in 1994, maar kreeg voor het eerst nationale bekendheid met haar hoofdrol in de sitcom NewsRadio van 1995 tot 1999. Terwijl ze deel uitmaakte van de NewsRadio cast, speelde ze ook in verschillende succesvolle films van de late jaren 1990 en vroege jaren 2000, zoals Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature en Welcome to Mooseport.
Toen NewsRadio werd geannuleerd, besloot Tierney niet in een andere sitcom te spelen:
toen NewsRadio werd geannuleerd, … dacht ik, zoiets komt er waarschijnlijk niet meer voor mij… Dus toen ER belde… was dat een manier om erin te blijven en interessant voor me te blijven.
Van 1999 tot 2008 speelde Tierney verpleegster Abigail “Abby” Lockhart in ER, een personage dat begon als gastrol in november 1999 en in februari 2000 uitgroeide tot een voltijdse vaste rol als ER-verpleegster en later, na het afronden van haar studie geneeskunde, als arts. Ze werd herenigd met haar NewsRadio medespeelster Khandi Alexander, die op dat moment ook een terugkerende rol had in ER. Binnen een jaar leverde Tierney’s werk in ER haar een Emmy Award nominatie op, een erkenning die ze toeschrijft aan een “sappige” story arc met Sally Field als Lockhart’s moeder Maggie Wyczenski, die een bipolaire stoornis heeft.
Tierney bevestigde in april 2008 dat ze ER zou verlaten kort na het begin van het vijftiende seizoen van de show. In oktober 2008, maakte ze haar laatste reguliere verschijning in de serie na bijna 10 seizoenen in de show. Ze keerde terug voor een cameo in een extra aflevering later in 2009 tegen het einde van het laatste seizoen.
Tierney’s meest bekende film toen ze deel uitmaakte van de ER cast was de film Insomnia uit 2002, die werd geregisseerd door Christopher Nolan. Datzelfde jaar speelde ze ook in Scotland, Pa. waarin ze een Lady Macbeth-achtig personage vertolkte dat speciaal voor haar was geschreven door Billy Morrissette, haar toenmalige echtgenoot. Ze werd door critici geprezen voor haar optreden. Ze werkte ook samen met NewsRadio-schrijver Joe Furey voor een speciale “Working with Joe Furey” featurette voor Furey’s film Love and Support.
In 2004 won Tierney het tweede-seizoens toernooi van Bravo’s Celebrity Poker Showdown tegen Lauren Graham, die een gastrol had in het vierde seizoen van NewsRadio. Tierney keerde terug naar het podium in mei 2006 in een optreden tegenover Eric McCormack in de Off Broadway première van Some Girl(s). Ze was ook te zien in de films Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter en Finding Amanda in 2008. Tierney speelde ook de rol van Laurel in het Off Broadway toneelstuk Three Changes met Dylan McDermott van 16 september tot 4 oktober 2008.
Tierney keerde terug naar televisie en speelde het terugkerende personage Kelly McPhee in de FX-serie Rescue Me in 2009 en 2011 tijdens het laatste seizoen. Ze verving Joely Richardson als de vrouwelijke hoofdrolspeelster in de ABC-televisieserie The Whole Truth in 2010, nadat Richardson was vertrokken om meer tijd met haar gezin door te brengen. Tierney’s rol in de show, een juridisch drama geproduceerd door Jerry Bruckheimer, betekende haar terugkeer op televisie na te zijn hersteld van een borstoperatie en kankerbehandelingen. ABC annuleerde The Whole Truth na vier afleveringen vanwege lage kijkcijfers.
In 2010 werd Tierney lid van het in New York City gevestigde experimentele theatergezelschap The Wooster Group. Ze speelde samen met Frances McDormand in de Wooster Group’s 2010 remounting of North Atlantic, geregisseerd door Elizabeth LeCompte. Van 2016-2019 speelde ze de feministe Germaine Greere in The Town Hall Affair, ook geregisseerd door LeCompte. Tierney bedacht zelf het idee voor dit stuk, waarin een rauw debat over vrouwenbevrijding wordt nagespeeld dat Norman Mailer in 1971 organiseerde met prominente feministen.
In februari 2011 maakte Tierney haar debuut in het Gate Theatre in de Dublin-première van Yasmina Reza’s God of Carnage (vertaling Christopher Hampton) naast Ardal O’Hanlon. Ook in 2011 was Tierney te zien in één aflevering van The Office (S8E9: Mrs. California) als de vrouw van Robert California.
In september 2012 begon Tierney aan een terugkerende rol in het CBS-rechtsdrama The Good Wife, waar ze Maddie Hayward speelde. In 2013 sloot Tierney zich aan bij de cast van Showtime’s The Affair, waarin ze Helen Solloway speelde, waarvoor ze in 2016 de Golden Globe Award won.
In 2018 speelde Tierney samen met Steve Carell en Timothée Chalamet in de duistere familiedramafilm Beautiful Boy, gebaseerd op de gelijknamige memoires van David Sheff. In 2019 verscheen Tierney in The Report als “een intense, gedreven, enigszins wraakzuchtige terrorismebestrijdingsdeskundige die vastbesloten is om achter elk programma te gaan staan dat belooft de intel te krijgen die een nieuwe aanslag zal tegenhouden.”
In 2019, Tierney origineerde de hoofdrol van Elizabeth in de West Coast première van Jen Silverman’s toneelstuk Witch in het Geffen Playhouse, geregisseerd door Marti Lyons.
In maart 2020, Tierney sloot zich aan bij de cast van Showtime’s American Rust.
In oktober 2020, Tierney sloot zich aan bij de cast van Showtime’s Your Honor.