Ha iniziato la sua carriera come attrice recitando in alcuni film e serie televisive in Australia, inclusa una puntata nello show satirico Double the Fist e il ruolo di Freya Lewis nella serie drammatica headLand. È anche apparsa in un episodio della serie televisiva di Channel Nine Sea Patrol.

Mentre si trovava negli Stati Uniti per le audizioni di Bionic Woman, inviò un video per i provini della serie televisiva Chuck. Il giorno successivo, i produttori di Chuck la contattarono per provare dei dialoghi con Zachary Levi. I produttori la richiamarono una settimana dopo per informarla che era stata scelta per il ruolo di Sarah Walker. Sei mesi dopo, si trasferì negli Stati Uniti.

È famosa fra gli appassionati di videogiochi per aver doppiato e prestato il volto a Miranda Lawson nei videogiochi della BioWare Mass Effect 2 e Mass Effect 3, oltre che per aver doppiato Aya Brea nel videogioco della Square Enix The 3rd Birthday. Nel 2009 ha inoltre lavorato con Richard Harrah per la realizzazione del film The Canyon, dove ha interpretato la parte di Lori.

L'anno seguente ha ricevuto un Teen Choice Awards come miglior attrice TV d'azione per il suo lavoro in Chuck, ed è stata anche nominata agli Spike Video Game Awards come miglior performance femminile per il suo lavoro con Mass Effect 2. Ancora nel 2010, si è classificata al 1º posto nella lista delle cento donne più sexy della televisione stilata da BuddyTV.

Nel 2011 l'edizione australiana di Cosmopolitan ha conferito a Strahovski il riconoscimento di «donna impavida e divertente» (FFF - Fun Fearless Female), nonché quello di miglior attrice TV, dell'anno.

Ad aprile 2011 è anche apparsa in uno sketch di CollegeHumor, in una parodia musicale di Katy Perry, Ke$ha e Lady Gaga. Sempre nello stesso anno è apparsa nel film Killer Elite al fianco di Jason Statham, Clive Owen e Robert De Niro. Nel maggio successivo ha poi fatto parte del cast del film Parto con mamma, con Seth Rogen e Barbra Streisand. Nel novembre 2011 è stata scelta per il ruolo di protagonista femminile nel film I, Frankenstein. Nel 2011 e nel 2012, è stata nominata di nuovo ai Teen Choice Awards nella categoria miglior attrice TV d'azione.

Nel marzo del 2012, è diventata partner della nuova campagna pubblicitaria di SoBe Life. Nel maggio seguente, si è classificata al 35º posto nella Maxim Hot 100. Sempre nello stesso anno entra a far parte del cast della serie televisiva Dexter come personaggio ricorrente, nel ruolo di Hannah McKay, ruolo che riprende anche nell'ottava stagione. Nel dicembre seguente ha fatto il suo debutto a Broadway nel revival di Clifford Odets, Golden Boy, nel ruolo di Lorna Moon. Per questa interpretazione, ha vinto un Theatre World Award. Ancora nel 2012 è stata premiata, insieme a Liam Hemsworth, per la sua carriera internazionale agli Australians in Film Breakthrough Award.

Nel maggio del 2013 viene inserita nella classifica Maxim Hot 100, al 46º posto. Nel gennaio del 2014 entra a far parte del cast della miniserie televisiva 24: Live Another Day, nel ruolo dell'agente della CIA Kate Morgan. Sempre nello stesso anno è nel cast della serie televisiva The Astronaut Wives Club, nel ruolo di Rene Carpenter. Nel 2017 appare nel ruolo di Serena Joy Waterford nella serie televisiva The Handsmaid's Tale.