Après avoir joué dans plusieurs pièces de théâtre, Tierney a déménagé à Los Angeles, en Californie, en 1987, où sa grande pause a été un rôle dans le programme d’échange d’étudiants en cinéma de Disney. Le premier rôle principal de Tierney dans un film était dans un film indépendant à petit budget intitulé Dead Women in Lingerie, qui a été tourné en 24 jours. Malgré une sortie en DVD en 2005, le film n’a pas encore reçu de sortie en salles.
Tierney a eu un certain nombre de petits rôles au cinéma et à la télévision et un rôle de co-vedette dans 704 Hauser, un spin-off de courte durée de 1994 de All in the Family, mais a d’abord reçu une exposition nationale régulière avec son rôle principal dans la sitcom NewsRadio de 1995 à 1999. Tout en faisant partie de la distribution de NewsRadio, elle a également joué dans plusieurs films à succès de la fin des années 1990 et du début des années 2000 tels que Primal Fear, Menteur Menteur, Couleurs Primaires, Forces de la Nature et Bienvenue à Mooseport.
Après l’annulation de NewsRadio, Tierney a décidé de ne pas jouer dans une autre sitcom:
La radio de nouvelles de poule a été annulée, … Je me suis dit qu’il n’y aurait probablement plus quelque chose comme ça pour moi… Alors, quand ER a appelé… c’était une façon d’y rester qui resterait intéressante pour moi.
De 1999 à 2008, Tierney a joué l’infirmière Abigail « Abby » Lockhart dans ER, un personnage qui a commencé en tant qu’invitée en novembre 1999, puis s’est étendu en février 2000 à un rôle régulier à temps plein en tant qu’infirmière aux urgences et plus tard, après avoir terminé ses études de médecine, un médecin. Elle a retrouvé sa co-star de NewsRadio Khandi Alexander, qui à cette époque avait également un rôle récurrent dans ER. En un an, le travail de Tierney sur ER lui a valu une nomination aux Emmy Awards, une reconnaissance qu’elle attribue à un arc narratif « juteux » mettant en vedette Sally Field dans le rôle de Maggie Wyczenski, la mère de Lockhart, atteinte de trouble bipolaire.
Tierney a confirmé en avril 2008 qu’elle quitterait les urgences peu après le début de la quinzième saison de la série. En octobre 2008, elle fait sa dernière apparition régulière dans la série après près de 10 saisons dans la série. Elle est revenue pour faire une apparition dans un épisode supplémentaire plus tard en 2009 vers la fin de la dernière saison.
Le film le plus médiatisé de Tierney alors qu’il faisait partie de la distribution des urgences était le film Insomnia, réalisé par Christopher Nolan en 2002. La même année, elle a également joué en Écosse, en Pennsylvanie. où elle incarne un personnage semblable à Lady Macbeth écrit spécialement pour elle par Billy Morrissette, son mari à l’époque. Elle a été félicitée par les critiques pour sa performance. Elle a également collaboré avec le scénariste de nouvelles Joe Furey pour une featurette spéciale « Working with Joe Furey » pour le film Love and Support de Furey.
En 2004, Tierney a remporté le tournoi de la deuxième saison de Bravo Celebrity Poker Showdown contre Lauren Graham, qui avait un rôle invité dans la quatrième saison de NewsRadio. Tierney revient sur scène en mai 2006 dans une apparition face à Eric McCormack dans la première Off Broadway de Some Girl(s). Elle est également apparue dans les films de 2008 Semi-Pro, Baby Mama, The Go-Getter et Finding Amanda. Tierney a également joué le rôle de Laurel dans la pièce Off Broadway Three Changes avec Dylan McDermott du 16 septembre au 4 octobre 2008.
Tierney revient à la télévision, jouant le personnage récurrent Kelly McPhee dans la série Rescue Me de FX en 2009 et 2011 lors de sa dernière saison. Elle a remplacé Joely Richardson en tant que chef de file féminin de la série télévisée The Whole Truth d’ABC en 2010 après le départ de Richardson pour passer plus de temps avec sa famille. Le rôle de Tierney dans the show, un drame juridique produit par Jerry Bruckheimer, a marqué son retour à la télévision après s’être remise d’une chirurgie du sein et de traitements contre le cancer. ABC a annulé Toute la vérité après quatre épisodes en raison de faibles audiences.
En 2010, Tierney est devenu membre de la compagnie de théâtre expérimental The Wooster Group, basée à New York. Elle a joué avec Frances McDormand dans le remontage de North Atlantic du groupe Wooster en 2010, dirigé par Elizabeth LeCompte. De 2016 à 2019, elle incarne la féministe Germaine Greere dans L’affaire de la Mairie, également mise en scène par LeCompte. Tierney elle-même a conçu l’idée de cette pièce, qui recrée un débat houleux sur la libération des femmes que Norman Mailer a organisé avec d’éminentes féministes en 1971.
En février 2011, Tierney fait ses débuts au Gate Theatre dans la première à Dublin de God of Carnage de Yasmina Reza (traduction de Christopher Hampton) aux côtés d’Ardal O’Hanlon. Toujours en 2011, Tierney est apparue dans un épisode de The Office (S8E9: Mme California) en tant que femme de Robert California.
En septembre 2012, Tierney a commencé un rôle récurrent dans le drame juridique de CBS The Good Wife, jouant Maddie Hayward. En 2013, Tierney a rejoint le casting de The Affair de Showtime, interprétant Helen Solloway, pour laquelle elle a remporté le Golden Globe Award en 2016.
En 2018, Tierney a joué avec Steve Carell et Timothée Chalamet dans le film dramatique familial sombre Beautiful Boy, basé sur les mémoires du même nom de David Sheff. Dans 2019, Tierney est apparu dans le rapport comme « un expert antiterroriste intense, motivé et quelque peu vengeur déterminé à se ranger derrière tout programme qui promet d’obtenir les informations qui empêcheront une autre attaque de se produire. ».
En 2019, Tierney est à l’origine du rôle principal d’Elizabeth dans la première de la pièce Witch de Jen Silverman sur la côte ouest au Geffen Playhouse, mise en scène par Marti Lyons.
En mars 2020, Tierney rejoint le casting d’American Rust de Showtime.
En octobre 2020, Tierney a rejoint le casting de Your Honor de Showtime.