Roberts bernasib baik kerana mempunyai adik-beradik yang agak terkenal dalam dunia lakonan. Lakonannya yang pertama adalah dalam watak kecil bersama abangnya Eric Roberts dalam filem koboi Blood Red yang difilemkan pada 1986, tetapi ditayangkan tiga tahun kemudiannya. Di samping itu, beliau juga berlakon dalam beberapa rancangan televisyen antaranya siri terkenal Miami Vice. Populariti Roberts mula meningkat dalam filem remaja Mystic Pizza pada 1988. Setahun kemudian, beliau berlakon dalam filem Steel Magnolias di samping pelakon veteran Sally Field dan Shirley MacLaine;dan buat pertama kalinya Roberts dicalonkan sebagai Pembantu Pelakon Wanita Terbaik untuk anugerah Oscar.

Bintangnya mula bersinar apabila beliau berlakon bersama pelakon kacak Richard Gere dalam filem Pretty Woman pada 1990. Selain memecah box office, filem ini telah membawa tuah kepada Roberts yang dicalonkan beberapa anugerah penting seperti Oscar dan BAFTA serta memenangi anugerah Golden Globe sebagai Pelakon Wanita terbaik.

Pada tahun yang sama beliau sekali lagi berjaya dalam box office dengan filem suspen lakonannya bertajuk Sleeping with the Enemy. Setahun selepas itu, Roberts memegang watak kecil sebagai Tinkerbell dalam filem Hook arahan pengarah terkenal Steven Spielberg. Pembabitannya dalam lakonan berhentia seketika antara tahun 1991 dan 1992. Namun pada 1993, beliau kembali dalam filem The Pelican Brief adaptasi novel John Grisham. Selepas itu beliau berlakon dalam beberapa filem yang gagal dalam box office sehinggalah tahun 1996 apabila beliau digandingkan dengan Liam Neeson dalam filem biografi Michael Collins. Pada 1997 beliau kembali popular dalam filem komedi cinta My Best Friend's Wedding, diikuti dengan filem popular Notting Hill pada 1999 dan Runaway Bride pada tahun yang sama. Dalam filem Runaway Bride, beliau sekali lagi digandingkan dengan Richard Gere.

Selepas lebih satu dekad menunggu, akhirnya pada tahun 2001 Roberts berjaya merangkul anugerah Oscar sebagai Pelakon Wanita Terbaik bagi filem drama Erin Brokovich. Selepas filem itu, kerjayanya serta popularitinya semakin meningkat. Dua tahun kemudian beliau telah dibayar ASD25 juta untuk berlakon dalam filem Mona Lisa's Smile. Selain itu beliau juga berlakon dalam filem aksi Ocean's Eleven (2000) dan Ocean's Twelve (2003) bersama beberapa pelakon lelaki seksi seperti Matt Damon, George Clooney dan Brad Pitt.

Pada tahun 2006, Roberts telah menjadi latar suara bagi dua filem animasi iaitu The Ant Bully dan Charlotte's Web.Kemudian, pada tahun berikutnya beliau berlakon dua pelakon terkenal Tom Hanks dan Phillip Seymour Hoffman, dalam filem Charlie Wilson's War, dimana beliau sekali lagi dicalonkan sebagai Pelakon Filem Pembantu Wanita terbaik.