W 2002 wzięła udział w przesłuchaniach do drugiej edycji programu Idol, jednak nie dostała się do stawki finałowej.
Na scenie teatralnej zadebiutowała w trakcie studiów krakowskiego PWST, grając Hermię w sztuce Sen nocy letniej wystawianą w Starym Teatrze w Krakowie. mały|Joanna Kulig (2017) Za rolę Alicji w dramacie Małgorzaty Szumowskiej Sponsoring (2011) odebrała Orła za najlepszą drugoplanową rolę kobiecą. Zagrała także niewielką rolę w amerykańsko-niemieckim filmie Hansel i Gretel: Łowcy czarownic (2013). Za główną rolę Zuli Lichoń w melodramacie Pawła Pawlikowskiego Zimna wojna (2018) otrzymała Orła za najlepszą główną rolę kobiecą i Europejską Nagrodę Filmową. mały|J. Kulig i P. Dinklage 2023
Zasiadała w jury sekcji „Un Certain Regard” na 75. MFF w Cannes (2022).
Za działalność na rzecz osób niepełnosprawnych otrzymała Medal Świętego Brata Alberta przyznany przez kapitułę powołaną przez Fundację im. Brata Alberta (2023).
W styczniu 2024 roku ogłoszono oficjalnie, że została członkinią Amerykańskiej Akademii Filmowej.
W 2026 roku zagrała postać dr Jolanty Wadowskiej-Król w serialu Ołowiane dzieci, zrealizowanym dla platformy Netflix. Fabuła produkcji opowiada o autentycznych wydarzeniach z lat 70.