1999年，17岁的安妮·海瑟薇初登荧屏，与杰西·艾森伯格合作出演电视剧《Get Real》，尽管该剧一季便被砍掉，但安妮却入围第2届青少年选择奖最佳TV女演员奖。

2001年8月3日，与朱莉·安德鲁斯共同主演爱情喜剧电影《公主日记》上映，她在片中饰演与母亲生活在美国，但她十分不自信的高中生米亚，凭借该片入围第4届青少年选择奖最佳喜剧电影女演员奖。

2002年，与查理·汉纳姆、杰米·贝尔联合主演剧情电影《尼古拉斯·尼克贝》，该剧根据英国作家狄更斯的作品改编。

2004年4月9日，与休·丹西、加利·艾尔维斯联袂主演爱情奇幻电影《魔法灰姑娘》上映，她在片中饰演出生在一个有魔法世界的魔法灰姑娘埃拉； 8月11日，由其主演的电影《公主日记2：皇室婚约》上映 。

2005年，进入纽约大学加勒廷个性化研究学院就读；同年，与施瑞·阿普莱碧共同主演剧情电影《历劫俏佳人》，这是她第一次挑战裸戏，并在片中饰演随便、放荡、满口粗话的艾利逊；随后，与希斯·莱杰、杰克·吉伦哈尔联合主演爱情电影《断背山》，在片中饰演在一个酒吧里与杰克相遇的露琳。

2006年，与梅丽尔·斯特里普合作主演爱情喜剧电影《穿普拉达的女王》，在片中饰演初入职场的清新女生安迪。2007年，与詹姆斯·麦卡沃伊搭档主演爱情电影《成为简·奥斯汀》，她凭借该片入围第10届英国独立电影奖最佳女主角奖。

2008年，与罗丝玛丽·德薇特、德博拉·温格联袂主演家庭伦理电影《蕾切尔的婚礼》，在片中饰演内心脆弱，要关怀，要目光，要自暴自弃，又要改变、振作、坚强的凯姆，她凭借该片入围第81届奥斯卡金像奖最佳女主角奖、第66届美国金球奖电影类-剧情类最佳女主角奖；10月24日，与帕特里克·威尔森合作主演惊悚悬疑电影《乘客》，她在片中饰演心理治疗师克莱尔。

2009年，与凯特·哈德森联袂出演喜剧电影《结婚大作战》，在片中饰演善于照顾别人的温柔女性艾玛，她凭借该片入围第18届MTV电影奖最佳女演员奖，获得第11届青少年选择奖最佳喜剧电影女演员奖；同年，参与动画片《辛普森一家第二十一季》的配音，她凭借该片获得第62届艾美奖最佳画外音奖。

2010年，与米娅·华希科沃斯卡、约翰尼·德普联合主演家庭奇幻电影《爱丽丝梦游仙境》，在片中扮演美丽善良的白皇后  ，她凭借该片入围第12届青少年选择奖最佳抢戏电影女星奖；同年，与杰克·吉伦哈尔共同主演喜剧电影《爱情与灵药》，她凭借该片入围第68届美国金球奖电影类-音乐/喜剧类最佳女主角奖。

2011年，与吉姆·斯特吉斯主演爱情电影《一天》，在片中饰演表面婉约，内心狂放的艾玛；4月8日，与杰西·艾森伯格联合参与配音的动画电影《里约大冒险》上映，配音的角色为一只像巴西舞娘一样热情的雌性蓝色金刚鹦鹉珠儿，她凭借该片入围第13届青少年选择奖最佳动画电影配音奖。

2012年，与克里斯蒂安·贝尔、汤姆·哈迪联合主演动作悬疑电影《蝙蝠侠：黑暗骑士崛起》，在片中饰演亦正亦邪、香艳神秘的猫女塞琳娜·凯尔，她凭借该片获得第15届青少年选择奖最佳动作电影女演员奖、第18届美国评论家选择奖最佳动作片女演员奖，获得第39届土星奖最佳女配角奖；同年，与休·杰克曼、罗素·克劳联袂主演剧情电影《悲惨世界》，在片中饰演在生活的无情折磨中挣扎的工厂女工芳汀，她除了要完成高难度的演唱之外，短短三周内又瘦了16磅，同时还因情节需要而剃短了头发，以苍老凄凉的造型示人，她凭借该片获得第85届奥斯卡金像奖最佳女配角奖、第70届美国金球奖电影类-最佳女配角奖。

2013年，参演由约瑟夫·高登-莱维特自编自导自演的剧情电影《唐璜》。2014年，与马修·麦康纳共同主演科幻冒险电影《星际穿越》，在片中饰演穿越虫洞到另一个空间的女科学家艾米莉亚；同年，与玛丽·斯汀伯根搭档主演爱情电影《第一支歌》。2014年4月11日，参与配音的电影《里约大冒险2》上映。

2015年8月21日，在《福布斯》公布的2015全球最高薪女星排行榜中，以年收入1200万美元，并列第九名；同年，与罗伯特·德尼罗主演喜剧电影《实习生》，在片中饰演一家时尚网站的CEO，她凭借该片获得第18届青少年选择奖最佳喜剧电影女演员奖。2016年，由其出演的电影《爱丽丝梦游仙境2：镜中奇遇记》上映；9月，由其参演的电视剧《纪录进行时第二季》播出。2017年，与杰森·苏戴奇斯主演科幻惊悚电影《克罗索巨兽》。

2018年6月8日，与桑德拉·布洛克、凯特·布兰切特联袂主演的剧情电影《瞒天过海：美人计》上映，她在片中饰演声名狼藉、自私自利的电影明星达芙妮；同年，与瑞贝尔·威尔森共同主演犯罪喜剧电影《偷心女盗》，在片中饰演工薪阶层的骗子约瑟芬·切斯特菲尔德。

2019年，与马修·麦康纳合作主演的惊悚电影《宁静》上映，她在片中饰演长期遭受着家庭暴力的凯伦；同年，出演由罗伯特·泽米吉斯执导的奇幻电影《女巫再现》；3月，确定出演真人版《芝麻街》；5月9日，在好莱坞星光大道留名，拿到了属于自己的星星；10月18日，与蒂娜·菲、安迪·加西亚联合主演的爱情剧《现代爱情》播出，她凭借该剧入围第25届美国评论家选择奖限定剧/电视电影类最佳女主角奖；11月22日，与马克·鲁法洛、比尔·坎普共同主演的传记电影《黑水》上映。

2020年，与本·阿弗莱克、威廉·达福联合主演悬疑惊悚电影《父亲的遗愿》。10月22日，主演的电影《女巫》在HBO Max上线。

2021年1月29日，将主演Apple TV 的新剧《WeCrashed》兼执行制片人，剧中饰演WeWork联合创始人丽贝卡。