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Strahovski começou a actuar durante os seus anos de escolaridade quando interpretou Viola na produção escolar de Twelfth Night. Ela apareceu em papéis de cinema e televisão na Austrália, incluindo um turnê no programa satírico Double the Fist e como Freya Lewis na série dramática australiana HeadLand. Ela também apareceu no canal Channel Nine’s Sea Patrol.
Strahovski enviou sua fita de audição para a série de TV Chuck enquanto estava nos Estados Unidos fazendo uma audição para papéis em outros programas, nomeadamente a série de 2007 da NBC, Bionic Woman. Ela foi contatada pelos produtores de Chuck no dia seguinte para entrar e fazer filmagens com Zachary Levi. Os produtores ligaram-lhe uma semana depois, informando-a de que ela tinha sido escolhida como Sarah Walker. Seis meses mais tarde, ela se mudou para os Estados Unidos. Strahovski adotou a grafia mais fonética de Strahovski como seu nome artístico no lugar de Strzechowski, nesta época, a pedido do produtor Josh Schwartz, para facilitar a pronúncia.
Strahovski fala polaco fluentemente, e empregou-o numa breve troca com um colega no episódio “Chuck Versus the Wookiee” e novamente nos episódios “Chuck Versus the Three Words” e “Chuck Versus the Honeymooners”. Embora ela retrata um americano na série, ela falou brevemente com sotaque australiano em “Hollywood” no episódio “Chuck Versus the Ex”.
Strahovski aparece em “Mass Effect Galaxy”, “Mass Effect 2” e “Mass Effect 3” como a voz de Miranda Lawson. Ela teve o rosto digitalizado e animado para poder retratar Lawson em Mass Effect 2.
Strahovski vozes Aya Brea na versão inglesa do Parasite Eve spinoff, The 3rd Birthday, que foi lançado em Março de 2011 para a PlayStation Portable. Ela também apareceu no sketch CollegeHumor em abril de 2011, parodiando os estilos musicais de Katy Perry, Ke$ha, Lady Gaga, e Justin Bieber.
Strahovski apareceu no filme Killer Elite 2011, ao lado de Jason Statham, Clive Owen, e Robert De Niro. Ela também apareceu na comédia The Guilt Trip 2012, ao lado de Seth Rogen e Barbra Streisand.
Em 2010, Strahovski recebeu o Teen Choice Award for Choice Action TV Actress for Chuck, assim como uma indicação para o Spike Video Game Awards for Best Performance by a Human Female for Mass Effect 2. Em 2011, Strahovski foi novamente nomeado para o Teen Choice Awards for Choice Action TV Actress. Em 2011, a Cosmopolitan Magazine (Austrália) nomeou Strahovski a Fêmea Destemida do Ano, juntamente com a Atriz de TV Favorita.
Em novembro de 2011, Strahovski foi escolhido como a protagonista feminina em I, Frankenstein (2014). Em março de 2012, ela foi apresentada em um novo comercial do SoBe Life. E em maio de 2012, Strahovski ficou no 35º lugar no Maxim Hot 100. Em junho de 2012, a Showtime anunciou que Strahovski entrou no elenco para a sétima temporada de Dexter, na qual ela faz o papel de Hannah McKay, uma mulher envolvida em uma investigação após a morte de seu ex-amante, uma assassina que ela acompanhou quando ela era adolescente. Ela repreendeu seu papel como Hannah McKay na oitava temporada de Dexter.
Em dezembro de 2012, ela fez sua estréia na Broadway em um renascimento do Menino de Ouro de Clifford Odets, pelo qual ela ganhou um Prêmio Mundial de Teatro. Strahovski foi homenageado juntamente com Liam Hemsworth pelo seu trabalho em papéis internacionais com os australianos de 2012 no Film Breakthrough Award.
Em 2014, Strahovski juntou-se à série de TV 24: Live Another Day cast as Kate Morgan, agente da CIA. Mais tarde naquele ano, ela foi elenco como Rene Carpenter na série limitada do ABC The Astronaut Wives Club. Em 2016, ela estrelou, junto com Adrien Brody, como Caroline Crowley no filme noir Manhattan Night. Ela foi apresentada na série Maxim Hot 100 de 2009 a 2013.
Desde 2017, ela estrelou como Serena Joy Waterford na aclamada série dramática Hulu, The Handmaid’s Tale. Por sua performance, Strahovski ganhou uma indicação ao Primetime Emmy Award por Atriz Coadjuvante de Destaque em uma Série Dramática em 2018.