Mulligan și-a făcut debutul profesional pe scenă în piesa lui Kevin Elyot, Forty Winks (2004), la Royal Court Theatre. A debutat în film cu un rol secundar în drama romantică a lui Joe Wright, Pride & Prejudice (2005), urmată de roluri diverse în televiziune, inclusiv în seria dramatică Bleak House (2005), filmul de televiziune Northanger Abbey (2007) și a avut o apariție ca invitat în episodul "Blink" din Doctor Who (2007). A debutat pe Broadway în reluarea piesei lui Anton Cehov, The Seagull (2008). Rolul ei de cotitură a venit ca o elevă din anii '60 în filmul de formare An Education (2009), pentru care a câștigat premiul BAFTA pentru Cea mai bună actriță și a primit o nominalizare la premiul Oscar pentru Cea mai bună actriță.
Cariera ei a avansat cu roluri în Never Let Me Go (2010), Drive (2011), Shame (2011), Inside Llewyn Davis (2013), Far from the Madding Crowd (2015), Suffragette (2015), Mudbound (2017), Wildlife (2018) și She Said (2022), având cea mai mare încasare cu drama de epocă The Great Gatsby (2013). Pentru interpretarea sa în reluarea pe Broadway a piesei Skylight de David Hare (2015), a fost nominalizată la premiul Tony pentru Cea mai bună actriță într-o piesă. A primit alte nominalizări la premiul Oscar pentru interpretările sale ca vigilentă în comedia neagră Promising Young Woman (2020) și ca Felicia Montealegre în biografia Maestro (2023).