Nel 1982, ha interpretato Ingrid Rothwell in A Kind of Loving, un ben accolto adattamento televisivo di Granada dei tre romanzi di Vic Brown di Stan Barstow. Whalley ha recitato nel film No Surrender (Dumbarton Films with Film Four) sceneggiato da Alan Bleasdale, uscito nel 1985, ma il film non ha avuto successo.
Whalley è venuto alla ribalta sulla televisione britannica come Emma Craven in Edge of Darkness di Troy Kennedy Martin (1985), poi come Infermiera Mills in Dennis Potter-scritto serial The Singing Detective (1986)—entrambi per la BBC Television. Nel 1987 ha interpretato Jackie nel film TV Will You Love Me Tomorrow; ha anche svolto un ruolo in The Good Father (1985), un altro canale 4-backed film.
Whalley ha incontrato l’attore americano Val Kilmer nel 1987 durante le riprese dell’avventura fantasy Willow. Dopo il loro matrimonio nel 1988, si è trasferita a Los Angeles e ha iniziato a utilizzare ‘Joanne Whalley-Kilmer’ come il suo nome professionale SAG-AFTRA. Ha continuato le riprese, facendo più film a Hollywood che nel Regno Unito. Nel 1989,Whalley-Kilmer ha interpretato il ruolo di Christine Keeler in Scandal al fianco di John Hurt e Sir Ian McKellen. Nel 1991 ha recitato nel mistero noir Shattered.
Nel 1994, è stata l’attrice protagonista in Trial By Jury, con co-protagonisti Armand Assante e William Hurt, tra gli altri. Sempre nel 1994, è diventata la seconda attrice a giocare Via col vento eroina Scarlett O’Hara quando è apparsa in un adattamento made-for-TV del romanzo sequel, Scarlett. In seguito ha recitato nel film del 1997 L’uomo che sapeva troppo poco.
Dopo il divorzio da Kilmer nel 1996, per motivi personali e professionali, ha cambiato il suo cognome in Whalley. Whalley ha interpretato il personaggio del titolo nel film televisivo del 2000 Jackie Bouvier Kennedy Onassis. In seguito ha collaborato con la band pop-punk Blink-182, leggendo una lettera all’inizio della canzone “Stockholm Syndrome”. Nel 2005, è apparsa come Queen Mary I in The Virgin Queen, un serial della BBC sulla vita della regina Elisabetta I che ha anche interpretato Anne-Marie Duff e Tara FitzGerald. Nello stesso anno ha girato giocato che ha recitato anche il suo ex marito Val Kilmer. Tuttavia, i due non hanno condiviso alcuna scena insieme. Nel 2006, è apparsa in Life Line, un dramma in due parti su BBC1, interpretato al fianco di Ray Stevenson.
Nel febbraio 2008, è apparsa sul palco in Poor Beast in the Rain di Billy Roche presentato dalla Salem K. Theatre Company al Matrix Theatre di Los Angeles, California. Nello stesso anno, Whalley è stato anche un regolare in ITV mini serie Flood con Robert Carlyle, tra gli altri.
Nel 2011, Whalley ha interpretato una delle protagoniste femminili, Vannozza dei Cattanei, amante del cardinale Rodrigo Borgia, futuro Papa Alessandro VI, nel dramma storico The Borgias. Ha guest-star come la principessa Sophie nella stagione 4 di Gossip Girl. Con il cast di 44 Inch Chest, ha condiviso il Best Ensemble Award ai San Diego Film Critics Society Awards 2010. Il film la riunì con John Hurt, con il quale aveva fatto due film precedenti. Nel 2014 ha giocato Zia Pazienza in Jamaica Inn per BBC One. Nel 2015, ha interpretato Claudia, la moglie di Ponzio Pilato, in A. D. La Bibbia continua, e la regina Caterina d’Aragona nella miniserie della BBC Wolf Hall.
Nel 2018, è apparsa nella terza stagione di Daredevil come sorella Maggie.
Nel 2020, Whalley ha recitato nel film di Eleanor Coppola Love Is Love Is Love. Era prevista la sua prima mondiale al Tribeca Film Festival nell’aprile 2020, ma il festival è stato posticipato a causa della pandemia di COVID-19. Il film è riprogrammato per la sua prima mondiale al Deauville American Film Festival nel mese di settembre.