En 1982, elle joue Ingrid Rothwell dans A Kind of Loving, une adaptation télévisée à Grenade bien accueillie des trois romans de Vic Brown de Stan Barstow. Whalley a joué dans le film No Surrender (Dumbarton Films avec Film Four) scénarisé par Alan Bleasdale, sorti en 1985, mais le film n’a pas réussi.
Whalley s’est fait connaître à la télévision britannique en incarnant Emma Craven dans Edge of Darkness (1985) de Troy Kennedy Martin, puis en tant qu’infirmière Mills dans la série The Singing Detective (1986) écrite par Dennis Potter, tous deux pour la télévision de la BBC. En 1987, elle a joué Jackie dans le téléfilm Will You Love Me Tomorrow; elle a également joué un rôle dans The Good Father (1985), un autre film soutenu par Channel 4.
Whalley a rencontré l’acteur américain Val Kilmer en 1987 lors du tournage de l’aventure fantastique Willow. Après leur mariage en 1988, elle a déménagé à Los Angeles et a commencé à utiliser « Joanne Whalley-Kilmer » comme nom professionnel. Elle a continué à tourner, faisant plus de films à Hollywood qu’au Royaume-Uni. En 1989, Whalley-Kilmer a joué le rôle de Christine Keeler dans Scandal aux côtés des stars John Hurt et Sir Ian McKellen. En 1991, elle a joué dans le mystère noir Brisé.
En 1994, elle est l’actrice principale de Trial By Jury, avec les co-stars Armand Assante et William Hurt, entre autres. Toujours en 1994, elle est devenue la deuxième actrice à jouer l’héroïne d’Autant en emporte le vent Scarlett O’Hara lorsqu’elle est apparue dans une adaptation télévisée du roman suivant, Scarlett. Elle a ensuite joué dans le film de 1997 The Man Who Knew Too Little.
Après son divorce d’avec Kilmer en 1996, pour des raisons personnelles et professionnelles, elle a changé son nom de famille en Whalley. Whalley a joué le personnage principal dans le téléfilm de 2000 Jackie Bouvier Kennedy Onassis. Elle a ensuite collaboré avec le groupe pop-punk Blink-182, lisant une lettre au début de la chanson « Stockholm Syndrome ». En 2005, elle joue le rôle de la reine Marie I dans The Virgin Queen, une série de la BBC sur la vie de la reine Elizabeth I qui met également en vedette Anne-Marie Duff et Tara FitzGerald. La même année, elle tourne Played qui met également en vedette son ex-mari Val Kilmer. Cependant, les deux n’ont partagé aucune scène ensemble. En 2006, elle est apparue dans Life Line, un drame en deux parties sur BBC1, avec en face Ray Stevenson.
En février 2008, elle est apparue sur scène dans Poor Beast in the Rain de Billy Roche présenté par la Salem K. Theatre Company au Matrix Theatre de Los Angeles, en Californie. La même année, Whalley était également un habitué de la mini-série d’ITV Flood avec Robert Carlyle, entre autres.
En 2011, Whalley a joué l’un des rôles principaux féminins, Vannozza dei Cattanei, maîtresse du cardinal Rodrigo Borgia, futur pape Alexandre VI, dans le drame historique The Borgias. Elle a joué le rôle de la princesse Sophie dans la saison 4 de Gossip Girl. Avec le casting de 44 Inch Chest, elle a partagé le prix du meilleur ensemble aux San Diego Film Critics Society Awards 2010. Le film la réunit avec John Hurt, avec qui elle avait fait deux films précédents. En 2014, elle a joué Tante Patience dans Jamaica Inn pour BBC One. En 2015, elle a joué Claudia, l’épouse de Ponce Pilate, dans A.D. La Bible continue, et la reine Catherine d’Aragon dans la mini-série de la BBC Wolf Hall.
En 2018, elle est apparue dans la troisième saison de Daredevil en tant que sœur Maggie.
En 2020, Whalley a joué dans le film d’Eleanor Coppola Love Is Love Is Love. Il devait avoir sa première mondiale au Festival du film de Tribeca en avril 2020, mais le festival a été reporté en raison de la pandémie de COVID-19. Le film est reprogrammé pour sa première mondiale au Festival du Film américain de Deauville en septembre.