Lithgow a câștigat două Premii Tony, primul pentru Cel mai bun actor în rol secundar într-o piesă pentru debutul său pe Broadway în The Changing Room (1972) și al doilea pentru Cel mai bun actor într-un musical pentru musicalul Sweet Smell of Success (2002). A fost nominalizat la Tony pentru Requiem for a Heavyweight (1985), M. Butterfly (1988) și Dirty Rotten Scoundrels (2005). A jucat în piesele The Columnist (2012), A Delicate Balance (2014) și Hillary and Clinton (2019). L-a interpretat pe Roald Dahl în piesa Giant de pe West End, pentru care a fost nominalizat la Premiul Olivier pentru Cel mai bun actor.
A jucat rolul lui Dick Solomon în sitcomul de televiziune 3rd Rock from the Sun (1996–2001), câștigând trei Premii Primetime Emmy pentru Cel mai bun actor într-un serial de comedie. A primit alte Premii Primetime Emmy pentru interpretările sale ca Arthur Mitchell în drama Dexter (2009) și ca Winston Churchill în drama Netflix The Crown (2016–2019). De asemenea, a jucat în Perry Mason de la HBO (2020) și The Old Man de la FX (2022).
În film, a primit două nominalizări la Premiile Academiei pentru Cel mai bun actor în rol secundar pentru rolurile sale ca jucător de fotbal transsexual în The World According to Garp (1982) și ca un bancher singuratic în Terms of Endearment (1983). A mai jucat în All That Jazz (1979), Blow Out (1981), Footloose (1984), Harry and the Hendersons (1987), A Civil Action (1998), Shrek (2001), Kinsey (2004), Rise of the Planet of the Apes (2011), Love Is Strange (2014), Interstellar (2014), Late Night (2019), Bombshell (2019), Killers of the Flower Moon (2023) și Conclave (2024).