I början av 1988 började Walker spela Andrea Bedford i NBC:s dagtidssåpa Santa Barbara. Senare samma år började hon dyka upp på bästa sändningstid i tv. Under tv-säsongen 1989-90 spelade hon den kvinnliga huvudrollen i den kortlivade NBC-kriminaldramaserien True Blue. Senare gästspelade hon i Matlock, L.A. Law och Tales from the Crypt. Hon medverkade i NBC:s tv-film Perry Mason and the Case of the Fatal Fashion från 1991 som den lömska dottern till Diana Muldaurs karaktär. År 1993 spelade hon tillsammans med Billy Campbell i den kortlivade ABC-komedidramafilmen Moon Over Miami.
1992 spelade Walker den kvinnliga huvudrollen mot Jean-Claude Van Damme i science fiction-actionfilmen Universal Soldier i regi av Roland Emmerich. Senare samma år spelade hon Sheila Kelleys gnälliga rumskamrat i Cameron Crowes romantiska komedi Singles. Hennes första huvudroll var i thrillern When the Bough Breaks från 1994. Under 1995 hade hon biroller i Sandra Bullocks succé medan du sov och Andy Garcías flopp Steal Big Steal Little. Året därpå spelade Walker tillsammans med Shaquille O’Neal i fantasykomedin Kazaam.
1996 fick Walker huvudrollen som doktor Samantha Waters i NBC:s kriminaldramaserie Profiler, en roll för vilken hon 1998 nominerades till Saturn Award för bästa skådespelerska på TV och 1998 till Satellite Award för bästa skådespelerska i en dramaserie på TV. År 1996 listades hon som en av People’s ”40 Most Fascinating People on TV”. Walker spelade huvudrollen under de tre första säsongerna, men lämnade serien hösten 1999. Hon ersattes av Jamie Luner som ny profiler under seriens sista säsong. Senare under 1999 spelade Walker en del av huvudrollen tillsammans med Steve Zahn i komedifilmen Happy, Texas och spelade huvudrollen i Lifetime TV-filmen If You Believe.
År 2002 återvände Walker för att spela huvudrollen i och producera ABC:s pilotavsnitt av komedin My Wonderful Life, som dock inte togs upp. År 2005 släppte hon dokumentärfilmen For Norman… Wherever You Are som regissör och producent, som visades på flera filmfestivaler. Hon återvände till scenen i New York och medverkade i ett antal Off-Broadway-produktioner. Mellan 2005 och 2010 spelade Walker många gästroller i tv, bland annat i Sleeper Cell, ER, The Shield, Boston Legal, Law & Order, CSI: Crime Scene Investigation, Southland och Law & Order: Special Victims Unit.
2007 spelade Walker huvudrollen i HBO:s dramaserie om sexuella relationer, Tell Me You Love Me. Serien lades ned efter en enda säsong. År 2009 medverkade hon i filmerna Toe to Toe och Wonderful World tillsammans med Matthew Broderick. Från 2008 till 2010 hade Walker den återkommande rollen som ATF-agenten June Stahl, en viktig antagonist i FX:s kriminaldramaserie Sons of Anarchy.
2011 spelade Walker huvudrollen i Lifetimes polisdramaserie The Protector, som kretsar kring en ensamstående mamma som kämpar för att balansera sitt familje- och yrkesliv som mordutredare vid LAPD. Serien lades ned efter en säsong. År 2014 spelade hon Chyler Leighs huvudkaraktärs mamma i NBC:s kortlivade polisdrama Taxi Brooklyn. Hon gjorde sin debut som regissör och författare av långfilmsmanus med Sex, Death and Bowling med Selma Blair i huvudrollen. Under 2015 fick hon återkommande roller i Netflix kriminaldrama Longmire och USA Networks thriller Colony.