Während sie noch in Oxford war, spielte und inszenierte Pike verschiedene Stücke, darunter eines von Simon Chesterman, der damals Doktorand war. Sie trat auch in britischen Fernsehshows auf, darunter A Rather English Marriage (1998), Wives and Daughters (1999) und Love in a Cold Climate (2001), eine Miniserie, die auf Nancy Mitfords Romanen The Pursuit of Love und Love in a Cold Climate basiert. Sie trat auch als Sarah Beaumont in einer Episode der Serie Foyle’s War auf.
Pike bei der Premiere von Barneys Version während des Toronto International Film Festival 2010
Nach ihrem Abschluss wurde ihr eine Rolle als Bond-Girl und MI6-Agentin angeboten, die James Bond bei Die Another Day helfen sollte. Sie trat auch in der Sondershow Bond Girls Are Forever und kurz darauf in der BAFTA-Hommage an die James Bond-Serie auf. Sie war das erste Bond-Girl, das Oxford besuchte. Pike spielte dann Elizabeth Malet in The Libertine (2004) mit Johnny Depp, der ihr den Preis als beste Nebendarstellerin bei den British Independent Film Awards einbrachte. Im selben Jahr porträtierte sie Rose in The Promised Land, einem Film über Israel, und spielte als Wissenschaftlerin Samantha Grimm in der Verfilmung der Computerspielserie Doom.
2005 trat sie als Jane, die ältere Schwester von Elizabeth (gespielt von Keira Knightley), in Pride & Prejudice auf. Pike spielte dann in der Verfilmung von Anne Michaels Roman Fugitive Pieces. Sie spielte auch als erfolgreiche Anwältin in dem Film Fracture, neben Anthony Hopkins und Ryan Gosling. Pike war Richter bei den Costa Book Awards 2008.Zu ihren Bühnenauftritten gehören Hitchcock Blonde von Terry Johnson und Tennessee Williams’Summer and Smoke, beide im Londoner West End, und Gaslight im Londoner Old Vic Theatre. Im Jahr 2009 spielte sie die Titelfigur in Madame De Sade während der Donmar West End Saison.
Sie trat in dem britischen Film Made in Dagenham und in dem kanadischen Film Barney’s Version auf, in dem sie Miriam spielt. Im Jahr 2010 spielte sie in einer Produktion von Hedda Gabler auf UK-Tour.
Pike hat Voicework für eine Hauptrolle in dem Film Jackboots on Whitehall aufgenommen und lieh ihre Stimme einer Reihe von James Bond-Hörbüchern, die The Spy Who Loved Me erzählen. Im Jahr 2010 spielte Pike die Rolle der Pussy Galore in der BBC Radio 4 Adaption von Flemings Goldfinger. Im Jahr 2011 spielte Pike die Rolle von Kate Sumner in dem Bond-Parodie-Film Johnny English Reborn und spielte einen Psychologen und Englands Liebesinteresse. Der Film ist eine Fortsetzung des Films Johnny English aus dem Jahr 2003 und war mit über 160 Millionen US-Dollar ein Kassenerfolg.
2012 spielte sie die Rolle der Königin Andromeda im Fantasy-Epos Wrath of the Titans. Sie ersetzte Alexa Davalos, die die Rolle in Clash of the Titans gespielt hatte und aufgrund eines Terminkonflikts ausgestiegen war. Die Rolle in Wrath of the Titans bedeutete, dass sie aus Rücksicht auf eine Rolle in Man of Steel aussteigen musste. Obwohl der Film von Kritikern nicht gut aufgenommen wurde, spielte er über 300 Millionen Dollar ein und Kritiker betrachteten ihre Leistung als eines der Highlights des Films. Sie spielte auch als Helen Rodin, die weibliche Hauptrolle neben Tom Cruise in dem Thriller Jack Reacher, eine Adaption des Romans One Shot von Autor Lee Child. Der Film wurde positiv kritisch aufgenommen und spielte über 218 Millionen US-Dollar ein.
Pike und Schauspieler ben Affleck bei der Premiere von Gone Girl auf dem 52nd New York Film Festival im Oktober 2014
Nach einer Nebenrolle in der von der Kritik gefeierten The World’s End (2013) war Pike in dem von David Fincher inszenierten Thriller Gone Girl (2014) zu sehen, einer Verfilmung von Gillian Flynns roman mit dem gleichen Namen. Neben Ben Affleck, Pike wurde als Amy Dunne besetzt, eine Frau, die an ihrem fünften Hochzeitstag vermisst wird. Laut Fincher, Pike war seine erste Wahl für die Rolle, weil er jemanden wollte, der nicht allgemein bekannt war, Pike war vor Beginn des Films in keiner wichtigen Hauptrolle aufgetreten, und weil er sie rätselhaft fand und sie nicht leicht lesen konnte. Der Film entwickelte sich zu einem Kassenschlager und erzielte weltweit über 356 Millionen US-Dollar Ticketverkauf. Der Film und die Leistung von Pike beide verdienten weit verbreitete Anerkennung von Kritikern.Richard Lawson von Vanity Fair schrieb, der Film sei „Intelligent gedreht, detailliert … und durchgeführt“ und nannte Pikes Darstellung „eine Star-makingly gute Leistung, fesselnd in seiner opernhaften Mischung aus Tönen und Temperaturen.“ Todd McCarthy von The Hollywood Reporter sagte, dass sie „mächtig und befehlend ist … Körperlich und emotional scheint Pike in diesen zutiefst berechnenden Charakter eingetaucht zu sein, und die Ergebnisse sind beeindruckend.“ Sie erhielt zahlreiche Auszeichnungen und Nominierungen, darunter den BAFTA Award als beste Schauspielerin in einer Hauptrolle, den Golden Globe Award als beste Schauspielerin – Motion Picture Drama und den Screen Actors Guild Award für herausragende Leistungen einer Schauspielerin in einer Hauptrolle.Seit 2015 hat sie Lady Penelope Creighton-Ward im Remake von Gerry Andersons Thunderbirds Are Go geäußert, das von ITV in Zusammenarbeit mit Weta Workshop produziert wurde. Im Februar 2016 spielte sie in dem Musikvideo zu Voodoo in My Blood von Massive Attack, das direkt von der U-Bahn-Szene mit Isabelle Adjani im Film Possession (1981) von Andrzej Żuławski inspiriert war.
2017 übernahm sie die Rolle der Frau in dem Kurzfilm The Human Voice, der von Patrick Kennedy geschrieben und inszeniert wurde und auf dem Stück La Voix Humaine von Jean Cocteau basiert, für das sie beim Oxford International Film Festival als beste Schauspielerin ausgezeichnet wurde.
2019 wurde sie in der Hauptrolle von Moiraine in Amazon Videos Adaption von Robert Jordans Fantasy-Epos The Wheel of Time besetzt. Zu ihren kommenden Filmen gehören der Thriller The Informer und das Biopic Radioactive; In letzterem wird sie Marie Curie spielen.