1988 elején Walker csatlakozott az NBC Santa Barbara című nappali szappanoperájának szereplőgárdájához, ahol Andrea Bedfordot alakította. Még abban az évben elkezdett szerepelni a főműsoridős televízióban. Az 1989-90-es televíziós évadban ő játszotta a női főszerepet az NBC rövid életű True Blue című krimisorozatában. Később vendégszerepelt a Matlock, az L.A. Law és a Tales from the Crypt című sorozatokban. Szerepelt az NBC 1991-es Perry Mason és a végzetes divat esete című tévéfilmjében Diana Muldaur karakterének fondorlatos lányaként. 1993-ban Billy Campbell mellett szerepelt az ABC rövid életű vígjáték-drámájában, a Moon Over Miami-ban.
1992-ben Walker játszotta a női főszerepet Jean-Claude Van Damme mellett a Roland Emmerich által rendezett Universal Soldier című sci-fi akciófilmben. Még ugyanebben az évben Sheila Kelley mogorva szobatársát alakította Cameron Crowe Szinglik című romantikus vígjátékában. Első sztárszerepe az 1994-es When the Bough Breaks című thrillerben volt. 1995-ben mellékszerepet kapott Sandra Bullock While You Were Sleeping című kasszasikerében és Andy García Steal Big Steal Little című bukott filmjében. A következő évben Walker Shaquille O’Neal oldalán játszott a Kazaam című fantasy vígjátékban.
1996-ban Walker megkapta a főszerepet, mint Dr. Samantha Waters az NBC bűnügyi drámasorozatában, a Profilerben, amely szerepért 1998-ban a legjobb televíziós színésznőnek járó Saturn-díjra jelölték, és a legjobb színésznőnek járó Satellite-díjat is elnyerte. 1996-ban a People “40 leglenyűgözőbb ember a tévében” listáján szerepelt. Walker az első három évadban főszerepet játszott, de 1999 őszén elhagyta a sorozatot. A sorozat utolsó évadában Jamie Luner lépett a helyébe, mint új profilozó. Később, 1999-ben Walker társszereplő volt Steve Zahn oldalán a Happy, Texas című vígjátékban, és főszerepet játszott a Lifetime televíziós filmjében, az If You Believe-ben.
2002-ben Walker visszatért, hogy főszereplője és producere legyen az ABC My Wonderful Life című pilot vígjátékának, amit azonban nem vettek fel. 2005-ben megjelentette a For Norman számára készült dokumentumfilmjét… Wherever You Are rendezőként és producerként, melyet több filmfesztiválon is bemutattak. Visszatért a New York-i színpadra, ahol több Off-Broadway produkcióban is szerepelt. 2005 és 2010 között Walker számos vendégszerepet játszott a televízióban, többek között a Sleeper Cell, ER, The Shield, Boston Legal, Law & Order, CSI: Crime Scene Investigation, Southland és Law & Order: Special Victims Unit.
2007-ben Walker főszerepet játszott az HBO szexuális kapcsolatokról szóló drámasorozatában, a Tell Me You Love Me-ben. A sorozatot egyetlen évad után törölték. 2009-ben társszereplője volt a Toe to Toe és a Wonderful World című filmeknek Matthew Broderickkel szemben. 2008 és 2010 között Walker visszatérő szerepet kapott, mint June Stahl ATF ügynök, az egyik fő ellenfél az FX Sons of Anarchy című bűnügyi drámasorozatában.
2011-ben Walker főszerepet játszott a Lifetime rendőrségi drámasorozatában, a The Protectorban, amely egy egyedülálló anya körül forog, aki küzd a családja és a szakmai élete közötti egyensúlyért, mint LAPD gyilkossági nyomozó. A sorozatot egy évad után törölték. 2014-ben Chyler Leigh főszereplő édesanyját alakította az NBC rövid életű rendőrségi sorozatában, a Taxi Brooklynban. Szex, halál és bowling címmel debütált nagyjátékfilmes forgatókönyvíróként és rendezőként a Selma Blair főszereplésével. 2015-ben visszatérő szerepet kapott a Netflix bűnügyi drámájában, a Longmire-ben és az USA Network thrillerében, a Colony-ban.