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Strahovski begann mit der Schauspielerei während ihrer Schulzeit, als sie Viola in der Schulproduktion von Twelfth Night spielte. In Australien trat sie in Film- und Fernsehrollen auf, darunter eine Rolle in der Satiresendung Double the Fist und als Freya Lewis in der australischen Dramaserie headLand. Sie trat auch in der Serie Sea Patrol von Channel Nine auf.
Strahovski schickte ihr Vorsprechband für die Fernsehserie Chuck ein, während sie in den Vereinigten Staaten für Rollen in anderen Serien vorsprach, namentlich in der NBC-Serie Bionic Woman von 2007. Schon am nächsten Tag wurde sie von den Produzenten von Chuck kontaktiert, um mit Zachary Levi vorzusprechen. Die Produzenten riefen sie eine Woche später zurück und teilten ihr mit, dass sie für die Rolle der Sarah Walker gecastet worden war. Sechs Monate später zog sie in die Vereinigten Staaten. Zu dieser Zeit nahm Strahovski auf Geheiß des Produzenten Josh Schwartz die phonetischere Schreibweise Strahovski als Künstlernamen anstelle von Strzechowski an, um eine einfachere Aussprache zu erreichen.
Strahovski spricht fließend Polnisch und verwendete es in einem kurzen Austausch mit einem Kollegen in der Chuck-Episode „Chuck Versus the Wookiee“ und erneut in den Episoden „Chuck Versus the Three Words“ und „Chuck Versus the Honeymooners“. Obwohl sie in der Serie eine Amerikanerin darstellt, spricht sie in der Episode „Chuck Versus the Ex“ kurz mit einem australischen „Hollywood“-Akzent.
Strahovski tritt in Mass Effect Galaxy, Mass Effect 2 und Mass Effect 3 als die Stimme von Miranda Lawson auf. Sie ließ ihr Gesicht scannen und animieren, damit sie Lawson in Mass Effect 2 darstellen konnte.
Strahovski spricht Aya Brea in der englischen Version des Parasite Eve-Spinoffs The 3rd Birthday, das im März 2011 für die PlayStation Portable veröffentlicht wurde. Außerdem trat sie im April 2011 in einem CollegeHumor-Sketch auf, der die Musikstile von Katy Perry, Ke$ha, Lady Gaga und Justin Bieber parodierte.
Strahovski spielte 2011 in dem Film Killer Elite an der Seite von Jason Statham, Clive Owen und Robert De Niro. Außerdem spielte sie 2012 in der Komödie The Guilt Trip an der Seite von Seth Rogen und Barbra Streisand.
Im Jahr 2010 erhielt Strahovski den Teen Choice Award für Choice Action TV Actress für Chuck, sowie eine Nominierung für die Spike Video Game Awards für Best Performance by a Human Female für Mass Effect 2. Im Jahr 2011 wurde Strahovski erneut für die Teen Choice Awards in der Kategorie „Choice Action TV Actress“ nominiert. 2011 wählte das australische Cosmopolitan Magazine Strahovski zur „Fun Fearless Female of the Year“ und zur „Favorite TV Actress“.
Im November 2011 wurde Strahovski für die weibliche Hauptrolle in I, Frankenstein (2014) besetzt. Im März 2012 war sie in einem neuen Werbespot für SoBe Life zu sehen. Und im Mai 2012 belegte Strahovski Platz 35 der Maxim Hot 100. Im Juni 2012 gab Showtime bekannt, dass Strahovski zur Besetzung der siebten Staffel von Dexter gehört, in der sie die Rolle der Hannah McKay spielt, einer Frau, die an den Ermittlungen nach dem Tod ihres ehemaligen Liebhabers beteiligt ist, eines Amokläufers, den sie als Teenager begleitet hatte. Sie wiederholte ihre Rolle als Hannah McKay in der achten Staffel von Dexter.
Im Dezember 2012 gab sie ihr Broadway-Debüt in einer Wiederaufnahme von Clifford Odets‘ Golden Boy, für die sie einen Theatre World Award gewann. Strahovski wurde zusammen mit Liam Hemsworth für ihre Arbeit in internationalen Rollen mit dem 2012 Australians in Film Breakthrough Award geehrt.
Im Jahr 2014 wurde Strahovski in der Fox-Fernsehserie 24: Live Another Day als CIA-Agentin Kate Morgan besetzt. Später im selben Jahr wurde sie als Rene Carpenter in der ABC-Serie The Astronaut Wives Club besetzt. 2016 spielte sie an der Seite von Adrien Brody die Rolle der Caroline Crowley in dem Film Noir Manhattan Night. Von 2009 bis 2013 war sie in der Maxim Hot 100 vertreten.
Seit 2017 spielt sie die Rolle der Serena Joy Waterford in der gefeierten Hulu-Dramaserie The Handmaid’s Tale. Für ihre Leistung erhielt Strahovski 2018 eine Primetime-Emmy-Award-Nominierung als herausragende Nebendarstellerin in einer Dramaserie.