Alors qu’elle était encore à Oxford, Pike a joué et dirigé diverses pièces de théâtre, dont une de Simon Chesterman, alors étudiant diplômé. Elle a également fait des apparitions dans des émissions de télévision britanniques, notamment A Rather English Marriage (1998), Wives and Daughters (1999) et Love in a Cold Climate (2001), une mini-série basée sur les romans de Nancy Mitford La poursuite de l’Amour et l’Amour dans un climat froid. Elle est également apparue comme Sarah Beaumont dans un épisode de la série Foyle’s War.
Pike lors de la première de la version de Barney’s lors du Festival international du Film de Toronto 2010
Après avoir obtenu son diplôme, elle se voit offrir un rôle de Bond girl et d’agent du MI6 chargé d’aider James Bond dans Die Another Day. Elle est également apparue dans l’émission spéciale Bond Girls Are Forever et, peu de temps après, l’hommage BAFTA à la série James Bond. Elle a été la première Bond girl à avoir fréquenté Oxford. Pike a ensuite joué Elizabeth Malet dans The Libertine (2004), avec Johnny Depp, qui lui a valu le prix de la meilleure actrice dans un second rôle aux British Independent Film Awards. La même année, elle incarne Rose dans La Terre Promise, un film sur Israël, et joue le rôle de la scientifique Samantha Grimm dans l’adaptation cinématographique de la série de jeux vidéo Doom.
En 2005, elle est apparue comme Jane, la sœur aînée d’Elizabeth (jouée par Keira Knightley), dans Pride&Prejudice. Pike a ensuite joué dans l’adaptation cinématographique du roman Fugitive Pieces d’Anne Michaels. Elle a également joué le rôle d’une avocate à succès dans le film Fracture, face à Anthony Hopkins et Ryan Gosling. Pike a été juge aux Costa Book Awards 2008.
Ses crédits scéniques incluent Hitchcock Blonde de Terry Johnson et Summer and Smoke de Tennessee Williams, tous deux dans le West End de Londres, et Gaslight au Old Vic Theatre de Londres. En 2009, elle a joué le personnage principal dans Madame De Sade pendant la saison de Donmar’s West End.
Elle est apparue dans le film britannique Made in Dagenham et dans le film canadien Barney’s Version où elle joue Miriam. En 2010, elle a joué dans une production de Hedda Gabler en tournée au Royaume-Uni.
Pike a enregistré des voix pour un rôle principal dans le film Jackboots on Whitehall et a prêté sa voix à une série de livres audio de James Bond, narrant L’Espion qui m’aimait. En 2010, Pike a joué le rôle de Pussy Galore dans l’adaptation de Goldfinger de Fleming par la BBC Radio 4. En 2011, Pike a joué le rôle de Kate Sumner dans le film de parodie de Bond Johnny English Reborn, jouant un psychologue et l’intérêt amoureux d’English. Le film est une suite du film de 2003 Johnny English et a été un succès au box-office, empochant plus de 160 millions de dollars.
En 2012, elle a joué le rôle de la reine Andromède dans l’épopée fantastique Wrath of the Titans. Elle a remplacé Alexa Davalos, qui avait joué le rôle dans Clash of the Titans et avait abandonné en raison d’un conflit d’horaire. Prendre le rôle dans Wrath of the Titans signifiait qu’elle devait abandonner toute considération pour un rôle dans Man of Steel. Bien que le film n’ait pas été bien accueilli par la critique, il a rapporté plus de 300 millions de dollars et les critiques ont considéré sa performance comme l’un des points forts du film. Elle a également joué le rôle d’Helen Rodin, le rôle principal féminin aux côtés de Tom Cruise dans le thriller Jack Reacher, une adaptation du roman One Shot de l’auteur Lee Child. Le film a reçu un accueil critique positif et a rapporté plus de 218 millions de dollars.
Pike et l’acteur Ben Affleck assistent à la première de Gone Girl au 52e Festival du film de New York en octobre 2014
Après un second rôle dans le film acclamé par la critique The World’s End (2013), Pike a été vu dans le thriller Gone Girl réalisé par David Fincher (2014) , une adaptation cinématographique du roman du même nom de Gillian Flynn. Mettant en vedette en face de Ben Affleck, Pike a été choisi pour incarner Amy Dunne, une femme qui disparaît le jour de son cinquième anniversaire de mariage. Selon Fincher, Pike était son premier choix pour le rôle parce qu’il voulait quelqu’un qui n’était pas largement connu, Pike n’étant apparu dans aucun rôle principal majeur avant le début du film, et parce qu’il la trouvait énigmatique et ne pouvait pas la lire facilement. Le film est devenu un succès au box-office, rapportant plus de 356 millions de dollars de ventes de billets dans le monde. Le film et la performance de Pike ont tous deux été acclamés par la critique.
Richard Lawson de Vanity Fair a écrit que le film est « Intelligemment tourné, détaillé… et a interprété « et appelé la représentation de Pike » une performance d’une qualité remarquable, envoûtante dans son mélange lyrique de tons et de températures. Todd McCarthy du Hollywood Reporter a déclaré qu’elle « est puissante et dominante… Physiquement et émotionnellement, Pike semble s’être immergée dans ce personnage profondément calculateur, et les résultats sont impressionnants. »Elle a reçu de nombreux prix et nominations, notamment le BAFTA Award de la Meilleure Actrice dans un Rôle principal, le Golden Globe Award de la Meilleure Actrice – Film Dramatique et le Screen Actors Guild Award pour la Performance exceptionnelle d’une Actrice dans un Rôle principal.
Depuis 2015, elle a doublé Lady Penelope Creighton-Ward dans le remake de Thunderbirds Are Go de Gerry Anderson produit par ITV en collaboration avec Weta Workshop. En février 2016, elle joue dans le clip de Voodoo in My Blood de Massive Attack, directement inspiré de la scène du métro avec Isabelle Adjani dans le film Possession (1981) réalisé par Andrzej Żuławski.
En 2017, elle tient le rôle de La Femme dans le court métrage The Human Voice, écrit et réalisé par Patrick Kennedy et basé sur la pièce La Voix Humaine de Jean Cocteau, pour lequel elle remporte le prix de la Meilleure actrice au Festival International du Film d’Oxford.
En 2019, elle a été choisie pour le rôle principal de Moiraine dans l’adaptation par Amazon Video de l’épopée fantastique de Robert Jordan, La Roue du Temps. Ses films à venir incluent le thriller The Informer et le biopic Radioactive; dans ce dernier, elle incarnera Marie Curie.