Amy Adams inició su carrera como bailarina en producciones de teatro de cena en Boulder, donde fue descubierta por un director de teatro de Minneapolis que la invitó a trabajar en Chanhassen, Minnesota. Una lesión muscular le permitió asistir a una audición para Drop Dead Gorgeous (1999), filmada en Minnesota. Durante el rodaje, Kirstie Alley la animó a mudarse a Los Ángeles, donde pronto obtuvo un papel en la versión televisiva de Fox de Cruel Intentions (1999), interpretando a "Kathryn Merteuil". Aunque se filmaron tres episodios, la serie nunca se emitió; partes se compilaron y se lanzaron directamente en video como Cruel Intentions 2 (2000). Tras varias apariciones televisivas fallidas, consiguió un papel importante en Catch Me If You Can (2002), junto a Leonardo DiCaprio, pero no le proporcionó el gran avance esperado y estuvo cerca de un año sin trabajo. Finalmente regresó a la televisión y se unió a la serie de corta duración Dr. Vegas (2004).

Su papel en la película independiente de bajo presupuesto Junebug (2005), rodada en 21 días, le valió atención real, incluida una nominación al Premio de la Academia a la Mejor Actriz de Reparto y otros galardones. Al año siguiente, su capacidad para parecer una heroína animada de Disney le ayudó a ser elegida entre unas 300 actrices para el papel de "Giselle" en la película de animación y acción real Enchanted (2007), que resultó ser su papel de gran avance. Su interpretación vivaz e inocente le permitió usar sus talentos para el canto y el baile, y le valió una nominación al Globo de Oro a la Mejor Actriz en Película Musical o Comedia.

Adams apareció después en la gran producción Charlie Wilson's War (2007) y luego actuó en la película independiente Sunshine Cleaning (2008), que se estrenó en el Festival de Cine de Sundance de 2008. Su papel como "Hermana James" en Doubt (2008) le valió una segunda nominación al Premio de la Academia a la Mejor Actriz de Reparto, así como nominaciones a un Globo de Oro, un premio del Sindicato de Actores y un premio de la Academia Británica de Cine. Apareció como Amelia Earhart en Night at the Museum: Battle of the Smithsonian (2009) y como consejera de una línea de ayuda posterior al 11 de septiembre, aspirante a escritora, cocinera amateur y bloguera en Julie & Julia (2009). A principios de la década de 2010, protagonizó junto a Jason Segel The Muppets (2011), con Philip Seymour Hoffman en The Master (2012) de Paul Thomas Anderson, y junto a Clint Eastwood y Justin Timberlake en Trouble with the Curve (2012). Interpretó a la reportera Lois Lane en Man of Steel (2013) y a la estafadora Sydney Prosser en American Hustle (2013), antes de encarnar a la artista real Margaret Keane en el biopic de Tim Burton Big Eyes (2014).

En 2016, retomó su papel de Lane en Batman v Superman: Dawn of Justice (2016) y protagonizó el drama de ciencia ficción de Denis Villeneuve Arrival (2016) y el oscuro thriller de Tom Ford Nocturnal Animals (2016). En 2018, recibió otra nominación al Oscar, la sexta, por interpretar a Lynne Cheney en el drama biográfico Vice (2018), junto a Christian Bale como Dick Cheney.