Después de aparecer en varias obras de teatro, Tierney se mudó a Los Ángeles, California en 1987, donde su gran oportunidad fue un papel en el Intercambio de estudiantes de películas hechas para televisión de Disney. El primer papel protagonista de Tierney en una película fue en una película independiente de bajo presupuesto llamada Dead Women in Lingerie, que se rodó en 24 días. A pesar de recibir un lanzamiento en DVD en 2005, la película aún no ha recibido un lanzamiento en cines.
Tierney tuvo una serie de pequeños papeles en cine y televisión y un papel co-protagonista en 704 Hauser, un spin-off de corta duración de 1994 de All in the Family, pero primero recibió una exposición nacional regular con su papel principal en la comedia de situación NewsRadio de 1995 a 1999. Mientras formaba parte del elenco de NewsRadio, también protagonizó varias películas exitosas de finales de la década de 1990 y principios de la década de 2000, como Primal Fear, Liar Liar, Primary Colors, Forces of Nature y Welcome to Mooseport.
Después de que se cancelara NewsRadio, Tierney decidió no protagonizar otra comedia de situación:
cuando se canceló NewsRadio,… Pensé, probablemente no habrá algo así de nuevo para mí… Entonces, cuando llamaron de Urgencias … esa era una forma de permanecer en ella que seguiría siendo interesante para mí.
De 1999 a 2008, Tierney interpretó a la enfermera Abigail «Abby» Lockhart en ER, un personaje que comenzó como una aparición especial en noviembre de 1999 y luego se expandió en febrero de 2000 a un papel regular de tiempo completo como enfermera de ER y más tarde después de completar la escuela de medicina, un médico. Se reunió con su coprotagonista de NewsRadio, Khandi Alexander, quien en ese momento también tenía un papel recurrente en ER. En un año, el trabajo de Tierney en ER le valió una nominación al Premio Emmy, un reconocimiento que ella atribuye a un arco argumental «jugoso» con Sally Field como la madre de Lockhart, Maggie Wyczenski, que tiene trastorno bipolar.
Tierney confirmó en abril de 2008 que dejaría ER poco después del comienzo de la decimoquinta temporada de la serie. En octubre de 2008, hizo su última aparición regular en la serie después de casi 10 temporadas en el programa. Regresó para hacer un cameo en un episodio adicional más tarde en 2009 hacia el final de la temporada final.
La película de más alto perfil de Tierney mientras formaba parte del elenco de emergencias fue la película de 2002 Insomnia, dirigida por Christopher Nolan. Ese mismo año, también protagonizó Scotland, Pa. donde interpretó a un personaje similar a Lady Macbeth escrito específicamente para ella por Billy Morrissette, su esposo en ese momento. Fue elogiada por la crítica por su actuación. También colaboró con el escritor de NewsRadio Joe Furey para un featurette especial «Working with Joe Furey» para la película Love and Support de Furey.
En 2004, Tierney ganó la segunda temporada del torneo de Bravo Celebrity Poker Showdown contra Lauren Graham, quien tuvo un papel invitado en la cuarta temporada de NewsRadio. Tierney regresó al escenario en mayo de 2006 en una aparición junto a Eric McCormack en el estreno Off Broadway de Some Girl(s). También apareció en las películas de 2008 Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter y Finding Amanda. Tierney también interpretó el papel de Laurel en la obra Off Broadway Three Changes con Dylan McDermott del 16 de septiembre al 4 de octubre de 2008.
Tierney regresó a la televisión, interpretando al personaje recurrente Kelly McPhee en la serie de FX Rescue Me en 2009 y 2011 durante su última temporada. Reemplazó a Joely Richardson como la protagonista femenina de la serie de televisión de ABC de 2010 The Whole Truth después de que Richardson se fuera para pasar más tiempo con su familia. El papel de Tierney en el programa, un drama legal producido por Jerry Bruckheimer, marcó su regreso a la televisión después de recuperarse de una cirugía de mama y tratamientos contra el cáncer. ABC canceló The Whole Truth después de cuatro episodios debido a la baja audiencia.
En 2010, Tierney se convirtió en miembro de la compañía de teatro experimental con sede en Nueva York, The Wooster Group. Actuó junto a Frances McDormand en el remounting of North Atlantic del Grupo Wooster en 2010, dirigido por Elizabeth LeCompte. De 2016 a 2019, interpretó a la feminista Germaine Greere en The Town Hall Affair, también dirigida por LeCompte. La propia Tierney concibió la idea de esta obra, que recrea un debate estridente sobre la Liberación de la Mujer que Norman Mailer organizó con feministas prominentes en 1971.
En febrero de 2011, Tierney hizo su debut en el Teatro Gate en el estreno en Dublín de God of Carnage de Yasmina Reza (traducción de Christopher Hampton) junto a Ardal O’Hanlon. También en 2011, Tierney apareció en un episodio de The Office (S8E9: Mrs. California) como la esposa de Robert California.
En septiembre de 2012, Tierney comenzó un papel recurrente en el drama legal de CBS The Good Wife, interpretando a Maddie Hayward. En 2013, Tierney se unió al elenco de The Affair de Showtime, interpretando a Helen Solloway, por la que ganó el Globo de Oro en 2016.
En 2018, Tierney co-protagonizó con Steve Carell y Timothée Chalamet la película de drama familiar oscuro Beautiful Boy, basada en las memorias del mismo nombre de David Sheff. En 2019, Tierney apareció en El Informe como » un experto antiterrorista intenso, impulsado y un tanto vengativo decidido a respaldar cualquier programa que prometa obtener la información que detendrá otro ataque.».
En 2019, Tierney originó el papel principal de Elizabeth en el estreno de la costa Oeste de la obra de Jen Silverman Bruja en el teatro Geffen, dirigida por Marti Lyons.
En marzo de 2020, Tierney se unió al elenco de American Rust de Showtime.
En octubre de 2020, Tierney se unió al elenco de Your Honor de Showtime.