Pada usia empat tahun, Hannigan muncul dalam iklan televisyen.[7] Beliau berpindah ke Hollywood pada usia 11 tahun.[3] Beliau tinggal bersama ibunya dan bersekolah di North Hollywood High School, kemudian mengikuti ujibakat semasa melawat bapanya di Santa Barbara. Selepas tamat belajar di North Hollywood High School, beliau menyambung pelajaram di Universiti Nalifornia, Northridge, menamatkan pengajian dalam bidang psikologi.[8]

Hannigan mendapat peranan filem pertamanya di My Stepmother Is an Alien,[2] sebuah filem komedi cereka sains yang dikeluarkan pada 1988; salah seorang rakan pelakonnya dalam filem ini ialah Seth Green yang kemudian bekerjasama dengan Hannigan sebagai pelakon tetap dalam Buffy. Pada tahun 1989, beliau menerima peranan utama pertamanya dalam siri TV menerusi sitkom pendek ABC, Free Spirit. Di usia remaja, Hannigan menjadi pengasuh anak Bob Saget; Saget kemudian menjadi pencerita siri TV yang dibintangi Hannigan, How I Met Your Mother.[9]

Pada tahun 1997, Hannigan memegang watak sebagai Willow Rosenberg, sahabat Buffy Summers, dalam siri televisyen Buffy the Vampire Slayer.[10] Siri itu menjadi kejayaan komersial dan berjaya menjulang populariti Hannigan. Beliau kemudian muncul dalam beberapa filem terkenal yang ditujukan kepada remaja, termasuk American Pie, American Pie 2, Boys and Girls, dan American Wedding.[2] Beliau juga menjadi pelakon undangan dalam terbitan turunan Buffy, Angel; beliau kembali menjayakan watak Willow dalam beberapa episod (termasuk "Orpheus" dalam musim keempat Angel dan musim ketujuh Buffy). Beliau tidak terlibat lagi dalam Angel setelah Buffy diterbitkan.

Pada awal 2004, Hannigan pertama kali muncul sebagai pelakon teater di West End melalui adaptasi pentas When Harry Met Sally... di Theatre Royal Haymarket; yang mana beliau berlakon bersama Luke Perry.[11]Pada tahun 2005, Hannigan kembali membintangi siri televisyen secara kekal sebagai Lily di0alam How I Met Your Mother dan Trina Echolls dalam Veronica Mars.[12] Pada Februari 2006, Hannigan melakonkan watak Julia Jones dalam Date Movie, filem parodi komedi romantik.[2] Beliau juga menjadi pelakon undangan dalam sitkom animasi ABC, The Goode Family, pada tahun 2009.[13]

Hannigan bersama Emily Deschanel, Jaime King, Minka Kelly, dan Katharine McPhee muncul dalam video pesta ria yang dimuat naik ke FunnyorDie.com untuk mempromosikan aktiviti sosialisasi kanser payudara oleh pertubuhan Stand Up 2 Cancer.[14]

Pada tahun 2012, Hannigan kembali menjayakan watak Michelle di American Reunion.[15]