Mens hun gik på Oxford School of Drama, medvirkede Foy i teaterstykkerne Top Girls, Watership Down, Easy Virtue og Touched. Efter at have optrådt på tv debuterede hun professionelt på scenen i DNA og The Miracle, to af en trio af enkeltakter instrueret af Paul Miller på Royal National Theatre i London (den tredje var Baby Girl).
Foy spillede hovedrollen som hovedpersonen Amy Dorrit i BBC-serien Little Dorrit og blev nomineret til en RTS Award. Hun fortsatte med at medvirke i tv-filmen Going Postal og gyser-eventyrfilmen Season of the Witch. Foy medvirkede også i BBC’s genoplivning af Upstairs Downstairs som Lady Persephone og var med i Channel 4-serien The Promise, der blev sendt i februar 2011.
Foy spillede en hovedrolle, Helen, i tv-filmen The Night Watch, der var baseret på en Sarah Waters-roman. Hun vendte tilbage til scenen i februar 2013 som Lady Macbeth, sammen med James McAvoy i titelrollen, i Macbeth på Trafalgar Studios.
I 2015 spillede Foy den engelske dronning Anne Boleyn i dramaserien Wolf Hall, der består af seks dele. Hendes præstation blev mødt med ros fra kritikerne og sammenlignet med Geneviève Bujolds ikoniske præstation i Anne af de tusind dage. Foy blev efterfølgende nomineret til British Academy Television Award 2016 for bedste skuespillerinde.
I 2016 portrætterede Foy den unge dronning Elizabeth II i Peter Morgans Netflix’ biografiske dramaserie The Crown. Hendes præstation indbragte hende Golden Globe Award for bedste skuespillerinde – tv-serie drama, Screen Actors Guild Award for Outstanding Performance by a Female Actor in a Drama Series to gange, og Primetime Emmy Award for Outstanding Lead Actress in a Drama Series. Hun blev også nomineret til BAFTA TV Award for bedste skuespillerinde. I 2017 gentog hun rollen i anden sæson, inden rollen overgik til skuespillerinden Olivia Colman, der fra tredje sæson skulle portrættere dronningen i den midaldrende alder. Også i 2017 spillede Foy hovedrollen som Diana Cavendish i den biografiske dramafilm Breathe.
I 2018 spillede Foy hovedrollen i Steven Soderberghs psykologiske thriller Unsane; hun portrætterede selvtægtsmanden Lisbeth Salander i action-thrilleren The Girl in the Spider’s Web og Janet Shearon, hustru til den amerikanske astronaut Neil Armstrong, i Damien Chazelles biograffilm First Man. For sidstnævnte blev hun nomineret til Golden Globe Award for bedste kvindelige birolle i en film, Critics’ Choice Award for bedste kvindelige birolle og British Academy of Film and Television Arts Award for bedste kvindelige birolle.