Mientras aún estaba en Oxford, Pike actuó y dirigió varias obras de teatro, incluida una de Simon Chesterman, que entonces era un estudiante graduado. También hizo apariciones en programas de televisión británicos, incluyendo A Rather English Marriage (1998), Wives and Daughters (1999), y Love in a Cold Climate (2001), una miniserie basada en las novelas de Nancy Mitford The Pursuit of Love y Love in a Cold Climate. También apareció como Sarah Beaumont en un episodio de la serie La guerra de Foyle.
Pike en el estreno de la versión de Barney durante el Festival Internacional de Cine de Toronto de 2010
Después de graduarse, se le ofreció un papel como chica Bond y agente del MI6 asignado para ayudar a James Bond en Die Another Day. También apareció en el programa especial Bond Girls Are Forever y, poco después, en el tributo BAFTA a la serie de James Bond. Fue la primera chica Bond que asistió a Oxford. Pike luego interpretó a Elizabeth Malet en The Libertine (2004), co-protagonizada por Johnny Depp, que le ganó el premio a la Mejor Actriz de Reparto en los British Independent Film Awards. En el mismo año, interpretó a Rose en La Tierra Prometida, una película sobre Israel, y protagonizó como la científica Samantha Grimm en la adaptación cinematográfica de la serie de juegos de computadora Doom.
En 2005, apareció como Jane, la hermana mayor de Elizabeth (interpretada por Keira Knightley), en Pride & Prejudice. Pike protagonizó la adaptación cinematográfica de la novela de Anne Michaels Fugitive Pieces. También actuó como una exitosa abogada en la película Fracture, junto a Anthony Hopkins y Ryan Gosling. Pike fue juez en los Premios Costa Book de 2008.
Sus créditos teatrales incluyen Hitchcock Blonde de Terry Johnson y Summer and Smoke de Tennessee Williams, ambos en el West End de Londres, y Gaslight en el Teatro Old Vic de Londres. En 2009, interpretó al personaje principal en Madame De Sade durante la temporada de Donmar’s West End.
Apareció en la película británica Made in Dagenham y en la película canadiense Barney’s Version, donde interpreta a Miriam. En 2010, protagonizó una producción de Hedda Gabler en una gira por el Reino Unido.
Pike ha grabado voicework para un papel principal en la película Jackboots en Whitehall y prestó su voz a una serie de audiolibros de James Bond, narrando The Spy Who Loved Me. En 2010, Pike interpretó el papel de Pussy Galore en la adaptación de BBC Radio 4 de Goldfinger de Fleming. En 2011, Pike interpretó el papel de Kate Sumner en la película de Bond Johnny English Reborn, interpretando a un psicólogo e interés amoroso de English. La película es una secuela de la película de 2003 Johnny English y fue un éxito de taquilla, ganando más de 160 millones de dólares.
En 2012, interpretó el papel de la reina Andrómeda en la épica de fantasía Wrath of the Titans. Reemplazó a Alexa Davalos, quien había jugado el papel en Clash of the Titans y se había retirado debido a un conflicto de horarios. Tomar el papel en Wrath of the Titans significó que tuvo que abandonar su consideración para un papel en Man of Steel. Aunque la película no fue bien recibida por los críticos, recaudó más de 3 300 millones y los críticos consideraron su actuación como uno de los aspectos más destacados de la película. También interpretó a Helen Rodin, la protagonista femenina junto a Tom Cruise en el thriller Jack Reacher, una adaptación de la novela One Shot del autor Lee Child. La película se abrió a una recepción crítica positiva y recaudó más de 218 millones de dólares.
Pike y el actor Ben Affleck asistiendo al estreno de Gone Girl en el 52º Festival de Cine de Nueva York en octubre de 2014
Después de un papel secundario en el aclamado The World’s End (2013), Pike fue visto en el thriller dirigido por David Fincher Gone Girl (2014), una adaptación cinematográfica de la novela del mismo nombre de Gillian Flynn. Junto a Ben Affleck, Pike fue elegida como Amy Dunne, una mujer que desaparece en su quinto aniversario de boda. Según Fincher, Pike fue su primera opción para el papel porque quería a alguien que no fuera ampliamente conocido, Pike no había aparecido en ningún papel principal importante antes del comienzo de la película, y porque la encontraba enigmática y no podía leerla fácilmente. La película surgió como un éxito de taquilla, ganando más de 3 356 millones en ventas de entradas a nivel mundial. La película y la actuación de Pike obtuvieron la aclamación generalizada de los críticos.
Richard Lawson de Vanity Fair escribió que la película está » filmada inteligentemente, detallada … y realizó «and called Pike’s portrayal» una actuación increíblemente buena, fascinante en su mezcla operística de tonos y temperaturas. Todd McCarthy de The Hollywood Reporter dijo que » es poderosa y dominante … Física y emocionalmente, Pike parece haberse sumergido en este personaje profundamente calculador, y los resultados son impresionantes. Recibió numerosos premios y nominaciones, incluyendo el Premio BAFTA a la Mejor Actriz en un Papel Principal, el Premio Globo de Oro a la Mejor Actriz – Drama Cinematográfico y el Premio Screen Actors Guild a la Mejor Actuación de una Actriz Femenina en un Papel Principal.
Desde 2015, ha interpretado a Lady Penelope Creighton-Ward en el remake de Thunderbirds Are Go de Gerry Anderson producido por ITV en conjunto con Weta Workshop. En febrero de 2016, protagonizó el video musical de Voodoo in My Blood de Massive Attack, inspirado directamente en la escena del metro con Isabelle Adjani en la película Possession (1981) dirigida por Andrzej Żuławski.
En 2017, tomó el papel de La Mujer en el cortometraje The Human Voice, escrito y dirigido por Patrick Kennedy y basado en la obra La Voix Humaine de Jean Cocteau, por la que ganó el premio a Mejor Actriz en el Festival Internacional de Cine de Oxford.
En 2019, fue elegida para el papel principal de Moiraine en la adaptación de Amazon Video de La épica de fantasía de Robert Jordan, La Rueda del tiempo. Sus próximas películas incluyen el thriller The Informer y el biopic Radioactive; en este último, interpretará a Marie Curie.