Nachdem sie in mehreren Stücken aufgetreten war, zog Tierney 1987 nach Los Angeles, Kalifornien, wo ihre große Pause eine Rolle in Disneys Made-for-TV-Film Student Exchange war. Tierneys erste Hauptrolle in einem Film war in einem Low-Budget-Independent-Film namens Dead Women in Lingerie, der in 24 Tagen gedreht wurde. Trotz einer DVD-Veröffentlichung im Jahr 2005 hat der Film noch keinen Kinostart erhalten.
Tierney hatte eine Reihe von kleinen Rollen in Film und Fernsehen und eine Co-Hauptrolle in 704 Hauser, eine kurzlebige 1994 Spin-off von All in the Family, erhielt aber zunächst regelmäßige nationale Exposition mit ihrer Hauptrolle in der Sitcom NewsRadio von 1995 bis 1999. Während sie Teil der NewsRadio-Besetzung war, spielte sie auch in mehreren erfolgreichen Filmen der späten 1990er und frühen 2000er Jahre wie Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature und Welcome to Mooseport.
Nachdem NewsRadio abgesagt wurde, beschloss Tierney, nicht in einer anderen Sitcom mitzuspielen:
hen NewsRadio wurde abgesagt, … Ich dachte, so etwas wird es wahrscheinlich nicht wieder für mich geben… Also dann, als ER anrief … das war eine Art zu bleiben, die für mich interessant bleiben würde.
Von 1999 bis 2008 spielte Tierney die Krankenschwester Abigail „Abby“ Lockhart in der Notaufnahme, eine Figur, die im November 1999 als Gastauftritt begann und im Februar 2000 zu einer regulären Vollzeit-Rolle als Notaufnahme-Krankenschwester und später nach Abschluss des Medizinstudiums zu einer Ärztin wurde. Sie wurde mit ihrem NewsRadio-Co-Star Khandi Alexander wiedervereinigt, der zu dieser Zeit auch eine wiederkehrende Rolle bei ER hatte. Innerhalb eines Jahres, Tierneys Arbeit an ER brachte ihr eine Emmy Award-Nominierung ein, Eine Anerkennung, die sie einem „saftigen“ Handlungsbogen mit Sally Field als Lockharts Mutter Maggie Wyczenski zuschreibt, Wer hat eine bipolare Störung.
Tierney bestätigte im April 2008, dass sie ER kurz nach Beginn der fünfzehnten Staffel der Show verlassen würde. Im Oktober 2008 hatte sie ihren letzten regulären Auftritt in der Serie nach fast 10 Staffeln in der Show. Sie kehrte zurück, um einen Cameo-Auftritt in einer weiteren Episode später im Jahr 2009 gegen Ende der letzten Staffel zu machen.
Tierneys bekanntester Film, während er Teil der ER-Besetzung war, war der Film Insomnia von 2002, der von Christopher Nolan inszeniert wurde. Das selbe Jahr, sie spielte auch in Schottland, Pa. dort porträtierte sie eine Lady Macbeth-ähnliche Figur, die Billy Morrissette, ihr damaliger Ehemann, speziell für sie geschrieben hatte. Sie wurde von Kritikern für ihre Leistung gelobt. Sie arbeitete auch mit dem NewsRadio-Autor Joe Furey für ein spezielles Featurette „Working with Joe Furey“ für Fureys Film Love and Support zusammen.
2004 gewann Tierney das Turnier der zweiten Staffel von Bravos Celebrity Poker Showdown gegen Lauren Graham, die eine Gastrolle in der vierten Staffel von NewsRadio hatte. Tierney kehrte auf die Bühne im Mai 2006 in einem Auftritt gegenüber Eric McCormack in der Off-Broadway-Premiere von Some Girl (s). Sie erschien auch in den Filmen 2008 Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter und Finding Amanda. Tierney spielte auch die Rolle des Laurel in dem Off-Broadway-Stück Three Changes mit Dylan McDermott vom 16. September bis 4. Oktober 2008.
Tierney kehrte zum Fernsehen zurück und spielte die wiederkehrende Figur Kelly McPhee in der FX-Serie Rescue Me in den Jahren 2009 und 2011 während der letzten Staffel. Sie ersetzte Joely Richardson als weibliche Hauptrolle der ABC-Fernsehserie The Whole Truth 2010, nachdem Richardson gegangen war, um mehr Zeit mit ihrer Familie zu verbringen. Tierneys Rolle in der Show, ein von Jerry Bruckheimer produziertes Rechtsdrama, markierte ihre Rückkehr zum Fernsehen, nachdem sie sich von Brustoperationen und Krebsbehandlungen erholt hatte. ABC hat The Whole Truth nach vier Folgen aufgrund niedriger Bewertungen abgesagt.
2010 wurde Tierney Mitglied der in New York City ansässigen experimentellen Theatergruppe The Wooster Group. Sie trat 2010 zusammen mit Frances McDormand in der Neumontage von North Atlantic der Wooster Group unter der Regie von Elizabeth LeCompte auf. Von 2016-2019 spielte sie die Feministin Germaine Greere in The Town Hall Affair, ebenfalls unter der Regie von LeCompte. Tierney selbst hatte die Idee zu diesem Stück, das eine raue Debatte über die Befreiung der Frau nachbildet, die Norman Mailer 1971 mit prominenten Feministinnen organisierte.
Im Februar 2011 debütierte Tierney am Gate Theatre in der Dubliner Erstaufführung von Yasmina Rezas God of Carnage (Übersetzung von Christopher Hampton) an der Seite von Ardal O’Hanlon. Ebenfalls im Jahr 2011 erschien Tierney in einer Episode von Das Büro (S8E9: Mrs. California) als Robert Kaliforniens Frau.
Im September 2012 begann Tierney eine wiederkehrende Rolle in dem CBS-Rechtsdrama The Good Wife und spielte Maddie Hayward. Im Jahr 2013 trat Tierney der Besetzung von Showtime’s The Affair bei und spielte Helen Solloway, für die sie 2016 den Golden Globe Award gewann.
2018 spielte Tierney zusammen mit Steve Carell und Timothée Chalamet in dem dunklen Familiendrama Beautiful Boy, das auf den gleichnamigen Memoiren von David Sheff basiert. Im Jahr 2019 erschien Tierney in dem Bericht als „ein intensiver, motivierter, etwas rachsüchtiger Anti-Terror-Experte, der entschlossen ist, sich hinter jedes Programm zu stellen, das verspricht, die Informationen zu erhalten, die einen weiteren Angriff verhindern.“.
2019 übernahm Tierney die Hauptrolle der Elizabeth in der Westküstenpremiere von Jen Silvermans Stück Witch at the Geffen Playhouse unter der Regie von Marti Lyons.
Im März 2020 trat Tierney der Besetzung von Showtimes American Rust bei.
Im Oktober 2020 trat Tierney der Besetzung von Showtimes Your Honor bei.