După ce a jucat în mai multe piese de teatru, Tierney s-a mutat la Los Angeles, California, în 1987, unde marea ei șansă a fost un rol în filmul Disney „Student Exchange”, realizat pentru televiziune. Primul rol principal al lui Tierney într-un film a fost într-un film independent cu buget redus, intitulat Dead Women in Lingerie, care a fost filmat în 24 de zile. În ciuda faptului că a primit o lansare pe DVD în 2005, filmul nu a primit încă și o lansare în cinematografe.
Tierney a avut o serie de roluri mici în film și televiziune și un rol co-protagonist în 704 Hauser, un spin-off de scurtă durată din 1994 al serialului All in the Family, dar a primit prima dată o expunere națională regulată cu rolul principal în sitcomul NewsRadio din 1995 până în 1999. În timp ce făcea parte din distribuția NewsRadio, ea a jucat, de asemenea, în mai multe filme de succes de la sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000, cum ar fi Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature și Welcome to Mooseport.
După ce NewsRadio a fost anulat, Tierney a decis să nu mai joace într-un alt sitcom:
când NewsRadio a fost anulat, … m-am gândit că, probabil, nu va mai fi ceva asemănător pentru mine… Așa că atunci, când ER a sunat … a fost o modalitate de a rămâne în care să rămână interesant pentru mine.
Din 1999 până în 2008, Tierney a jucat rolul asistentei Abigail „Abby” Lockhart în ER, un personaj care a început ca o apariție ca invitat în noiembrie 1999 și apoi s-a extins în februarie 2000 la un rol regulat cu normă întreagă ca asistentă la Urgențe și mai târziu, după terminarea școlii de medicină, ca doctor. S-a reîntâlnit cu colega ei de platou de la NewsRadio, Khandi Alexander, care la acea vreme avea, de asemenea, un rol recurent în ER. În decurs de un an, munca lui Tierney la ER i-a adus o nominalizare la Premiul Emmy, o recunoaștere pe care ea o atribuie unui arc de poveste „suculent” cu Sally Field în rolul mamei lui Lockhart, Maggie Wyczenski, care suferă de tulburare bipolară.
Tierney a confirmat în aprilie 2008 că va părăsi ER la scurt timp după începerea celui de-al cincisprezecelea sezon al serialului. În octombrie 2008, ea și-a făcut ultima apariție regulată în serial, după aproape 10 sezoane în serial. Ea a revenit pentru a face o apariție cameo într-un episod suplimentar mai târziu, în 2009, spre sfârșitul sezonului final.
Cel mai important film de profil al lui Tierney în timp ce făcea parte din distribuția ER a fost filmul Insomnia din 2002, care a fost regizat de Christopher Nolan. În același an, ea a jucat și în filmul Scotland, Pa. unde a interpretat un personaj asemănător cu Lady Macbeth, scris special pentru ea de Billy Morrissette, soțul ei de la acea vreme. A fost lăudată de critici pentru interpretarea ei. De asemenea, a colaborat cu scenaristul Joe Furey de la NewsRadio pentru un reportaj special „Working with Joe Furey” pentru filmul lui Furey, Love and Support.
În 2004, Tierney a câștigat turneul celui de-al doilea sezon al emisiunii Bravo’s Celebrity Poker Showdown împotriva lui Lauren Graham, care a avut un rol de invitat în cel de-al patrulea sezon din NewsRadio. Tierney a revenit pe scenă în mai 2006, într-o apariție alături de Eric McCormack în premiera Off Broadway a spectacolului Some Girl(s). De asemenea, a apărut în 2008 în filmele Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter și Finding Amanda. Tierney a jucat, de asemenea, rolul lui Laurel în piesa Off Broadway Three Changes cu Dylan McDermott între 16 septembrie și 4 octombrie 2008.
Tierney a revenit la televiziune, interpretând personajul recurent Kelly McPhee în serialul FX Rescue Me în 2009 și 2011 în timpul sezonului final al acestuia. Ea a înlocuit-o pe Joely Richardson în rolul principal feminin din serialul de televiziune ABC din 2010, The Whole Truth, după ce Richardson a plecat pentru a petrece mai mult timp cu familia sa. Rolul lui Tierney în serial, o dramă juridică produsă de Jerry Bruckheimer, a marcat revenirea ei la televiziune după ce s-a recuperat după o operație la sân și tratamente împotriva cancerului. ABC a anulat The Whole Truth după patru episoade din cauza audiențelor scăzute.
În 2010, Tierney a devenit membră a companiei de teatru experimental The Wooster Group, cu sediul în New York City. Ea a jucat alături de Frances McDormand în remontarea din 2010 a piesei North Atlantic, regizată de Elizabeth LeCompte, de către Wooster Group. În perioada 2016-2019, a interpretat-o pe feminista Germaine Greere în The Town Hall Affair, regizat tot de LeCompte. Tierney însăși a conceput ideea pentru această piesă, care recreează o dezbatere zgomotoasă despre Eliberarea Femeii pe care Norman Mailer a organizat-o cu feministe proeminente în 1971.
În februarie 2011, Tierney a debutat la Gate Theatre în premiera de la Dublin a piesei God of Carnage de Yasmina Reza (traducere de Christopher Hampton), alături de Ardal O’Hanlon, alături de Ardal O’Hanlon. Tot în 2011, Tierney a apărut într-un episod din The Office (S8E9: Mrs. California) în rolul soției lui Robert California.
În septembrie 2012, Tierney a început un rol recurent în serialul juridic CBS The Good Wife, interpretând-o pe Maddie Hayward. În 2013, Tierney s-a alăturat distribuției serialului The Affair de la Showtime, interpretând-o pe Helen Solloway, pentru care a câștigat premiul Globul de Aur în 2016.
În 2018, Tierney a jucat alături de Steve Carell și Timothée Chalamet în filmul de dramă familială întunecată Beautiful Boy, bazat pe cartea de memorii cu același nume a lui David Sheff. În 2019, Tierney a apărut în filmul The Report ca „un expert în antiterorism intens, motivat și oarecum răzbunător, hotărât să se implice în orice program care promite să obțină informațiile care vor împiedica producerea unui nou atac”.
În 2019, Tierney a dat naștere rolului principal Elizabeth în premiera de pe Coasta de Vest a piesei Witch a lui Jen Silverman la Geffen Playhouse, în regia lui Marti Lyons.
În martie 2020, Tierney s-a alăturat distribuției serialului American Rust de la Showtime.
În octombrie 2020, Tierney s-a alăturat distribuției serialului Your Honor de la Showtime.
.