Efter att ha medverkat i flera pjäser flyttade Tierney till Los Angeles, Kalifornien 1987 där hon fick sitt stora genombrott genom en roll i Disneys TV-film Student Exchange. Tierneys första huvudroll i en film var i en lågbudget independentfilm kallad Dead Women in Lingerie, som spelades in på 24 dagar. Trots att filmen fick en dvd-utgåva 2005 har den ännu inte fått någon biografutgåva.
Tierney hade ett antal mindre roller i film och tv och en medverkande roll i 704 Hauser, en kortlivad avknoppning från 1994 av All in the Family, men fick först regelbunden nationell exponering med sin huvudroll i sitcomen NewsRadio från 1995 till 1999. Medan hon var en del av NewsRadio-besättningen medverkade hon också i flera framgångsrika filmer från slutet av 1990-talet och början av 2000-talet som Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature och Welcome to Mooseport.
När NewsRadio lades ner bestämde Tierney sig för att inte medverka i en annan sitcom:
När NewsRadio lades ner, … Jag tänkte att det förmodligen inte kommer att bli något liknande igen för mig… Så när ER ringde … så var det ett sätt att stanna kvar som skulle förbli intressant för mig.
Från 1999 till 2008 spelade Tierney sjuksköterskan Abigail ”Abby” Lockhart i ER, en karaktär som började som ett gästspel i november 1999 och sedan utökades i februari 2000 till en ordinarie roll på heltid som sjuksköterska på akuten och senare, efter att ha avslutat sin läkarutbildning, som läkare. Hon återförenades med sin NewsRadio-medspelare Khandi Alexander, som vid den tiden också hade en återkommande roll i ER. Inom ett år fick Tierneys arbete i ER en Emmy Award-nominering, ett erkännande som hon tillskriver en ”saftig” berättelse med Sally Field som Lockharts mamma Maggie Wyczenski, som har bipolär sjukdom.
Tierney bekräftade i april 2008 att hon skulle lämna ER strax efter inledningen av seriens femtonde säsong. I oktober 2008 gjorde hon sitt sista ordinarie framträdande i serien efter nästan 10 säsonger i serien. Hon återvände för att göra en cameo i ytterligare ett avsnitt senare under 2009 mot slutet av den sista säsongen.
Tierneys mest uppmärksammade film medan hon var en del av ER-besättningen var 2002 års film Insomnia, som regisserades av Christopher Nolan. Samma år spelade hon också huvudrollen i Scotland, Pa. där hon porträtterade en Lady Macbeth-liknande karaktär skriven speciellt för henne av Billy Morrissette, hennes dåvarande make. Hon hyllades av kritikerna för sin prestation. Hon samarbetade också med NewsRadios författare Joe Furey för en speciell ”Working with Joe Furey” featurette för Fureys film Love and Support.
2004 vann Tierney den andra säsongens turnering av Bravos Celebrity Poker Showdown mot Lauren Graham, som hade en gästroll i den fjärde säsongen av NewsRadio. Tierney återvände till scenen i maj 2006 i ett framträdande mot Eric McCormack i Off Broadway-premiären av Some Girl(s). Hon medverkade även i filmerna Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter och Finding Amanda från 2008. Tierney spelade också rollen som Laurel i Off Broadway-pjäsen Three Changes med Dylan McDermott från den 16 september till den 4 oktober 2008.
Tierney återvände till tv och spelade den återkommande karaktären Kelly McPhee i FX-serien Rescue Me 2009 och 2011 under dess sista säsong. Hon ersatte Joely Richardson som den kvinnliga huvudrollen i ABC:s tv-serie The Whole Truth 2010 efter att Richardson lämnat för att tillbringa mer tid med sin familj. Tierneys roll i serien, ett rättsdrama som produceras av Jerry Bruckheimer, markerade hennes återkomst till tv efter att ha återhämtat sig från en bröstoperation och cancerbehandlingar. ABC ställde in The Whole Truth efter fyra avsnitt på grund av låga tittarsiffror.
2010 blev Tierney medlem i det New York-baserade experimentella teaterkompaniet The Wooster Group. Hon uppträdde tillsammans med Frances McDormand i The Wooster Groups nyuppsättning av North Atlantic 2010, i regi av Elizabeth LeCompte. Från 2016-2019 spelade hon feministen Germaine Greere i The Town Hall Affair, också regisserad av LeCompte. Tierney kom själv på idén till pjäsen, som återskapar en rabiat debatt om kvinnors frigörelse som Norman Mailer anordnade med framstående feminister 1971.
I februari 2011 debuterade Tierney på Gate Theatre i Dublinpremiären av Yasmina Rezas God of Carnage (översättning av Christopher Hampton) tillsammans med Ardal O’Hanlon. Även 2011 medverkade Tierney i ett avsnitt av The Office (S8E9: Mrs California) som Robert Californias fru.
I september 2012 inledde Tierney en återkommande roll i CBS rättsdrama The Good Wife, där hon spelade Maddie Hayward. År 2013 anslöt Tierney sig till skådespelarna i Showtimes The Affair och spelade Helen Solloway, för vilken hon vann Golden Globe Award 2016. Under 2018 medverkade Tierney tillsammans med Steve Carell och Timothée Chalamet i den mörka familjedramafilmen Beautiful Boy, baserad på memoarboken med samma namn av David Sheff. År 2019 medverkade Tierney i The Report som ”en intensiv, driven och något hämndlysten antiterroristexpert som är fast besluten att ställa sig bakom varje program som lovar att få fram den information som kan stoppa en ny attack från att ske”.
Under 2019 gjorde Tierney huvudrollen som Elizabeth i västkustpremiären av Jen Silvermans pjäs Witch på Geffen Playhouse i regi av Marti Lyons.
I mars 2020 anslöt Tierney sig till skådespelarna i Showtimes American Rust.
I oktober 2020 anslöt Tierney sig till skådespelarna i Showtimes Your Honor.