Elle a débuté au cinéma en 1991 dans
Grand Canyon aux côtés de Kevin Kline. Elle est apparue notamment dans Romance and Cigarettes de John Turturro, The client de Joel Schumacher, Saved!, Dragon rouge et L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford. Elle incarne également Ruth dans le film Beignets de tomates vertes de Jon Avnet, en 1991, et le rôle de Robin dans Avec ou sans hommes en 1995 à côté de Whoopi Goldberg, un film sur les relations entre les femmes, le sida, la violence et la solitude en tant que femmes, malade, de couleur ou d'orientation sexuelle différente. Dans les années 2000, elle joue dans plusieurs séries télévisées : une lobbyiste féministe récurrente dans À la Maison Blanche ou une épouse délaissée se consolant au valium dans l'adaptation d'Angels in America de 2003. Mary-Louise Parker a été pressentie pour incarner Susan Delfino dans la célèbre série américaine Desperate Housewives. Ce rôle a finalement été attribué à Teri Hatcher. Mary-Louise Parker est actuellement l'héroïne de Weeds depuis 2005 : elle y incarne une mère de famille qui se décide à vendre du cannabis pour faire vivre sa famille. Elle a aussi interprété le rôle d'Helen dans
les chroniques de Spiderwick en 2008, accompagnée de jeunes stars montantes d'Hollywood tel que Freddie Highmore, et aussi accompagnée de Nick Nolte.
Ses rôles à la télévision lui ont valu un Emmy Award et un Golden Globe pour Angels in America, ainsi qu'un Golden Globe pour Weeds.