Reilly a câștigat popularitate pentru rolurile sale în filme de comedie, cum ar fi Cal Naughton în Talladega Nights: The Ballad of Ricky Bobby (2006). A continuat să joace personajul titular în Walk Hard: The Dewey Cox Story (2007) și pe Dale Doback, unul dintre cei doi frați vitregi, în Step Brothers (2008). Între timp, Reilly a început să joace alături de Dr. Steve Brule în seria de televiziune comică Tim and Eric Awesome Show, Great Job! (2007–2010), care a dus la seria derivată Check It Out! cu Dr. Steve Brule (2010–2016). A împrumutat vocea personajului titular din seria de filme Wreck-It Ralph (2012–2018). Reilly este, de asemenea, cunoscut pentru munca sa în filmele independente Cyrus, We Need to Talk About Kevin și Carnage (toate în 2011), The Lobster (2015) și The Sisters Brothers (2018). A combinat abilitățile sale comice și dramatice pentru interpretarea comedianului Oliver Hardy în biografia Stan and Ollie (2018), obținând nominalizări la Premiul Golden Globe și Premiul Critics' Choice.
Reilly este, de asemenea, cunoscut pentru munca sa în televiziune. A creat și a jucat în seria de comedie Showtime Moonbase 8 (2020) și a condus un ansamblu de actori în seria de dramă sportivă HBO Winning Time: The Rise of the Lakers Dynasty (2022–2023). Reilly cântă cu trupa sa, John Reilly and Friends. Pentru rolul său în revivarea