Under sin studietid vid Oxford School of Drama medverkade Foy i pjäserna Top Girls, Watership Down, Easy Virtue och Touched. Efter att ha medverkat i tv gjorde hon sin professionella scendebut i DNA och The Miracle, två av en trio av enakter i regi av Paul Miller på Royal National Theatre i London (den tredje var Baby Girl).
Foy spelade huvudrollen som huvudpersonen Amy Dorrit i BBC-serien Little Dorrit och var nominerad till en RTS Award. Hon fortsatte att medverka i tv-filmen Going Postal och skräckäventyrsfilmen Season of the Witch. Foy medverkade också i BBC:s återupplivning av Upstairs Downstairs i rollen som Lady Persephone, och var med i Channel 4-serien The Promise, som sändes i februari 2011.
Foy spelade en huvudroll, Helen, i tv-filmen The Night Watch, som baserades på en roman av Sarah Waters. Hon återvände till scenen i februari 2013 som Lady Macbeth, tillsammans med James McAvoy i titelrollen, i Macbeth på Trafalgar Studios.
Under 2015 spelade Foy den engelska drottningen Anne Boleyn i den sexdelade dramaserien Wolf Hall. Hennes prestation möttes av kritikerros och jämfördes med Geneviève Bujolds ikoniska prestation i Anne of the Thousand Days. Foy nominerades därefter till British Academy Television Award 2016 för bästa skådespelerska.
2016 porträtterade Foy den unga drottning Elizabeth II i Peter Morgans biografiska dramaserie The Crown på Netflix. Hennes prestation gav henne Golden Globe Award för bästa skådespelerska – tv-serie drama, Screen Actors Guild Award för en kvinnlig skådespelares enastående insats i en dramaserie två gånger och Primetime Emmy Award för enastående huvudskådespelerska i en dramaserie. Hon nominerades också till BAFTA TV Award för bästa skådespelerska. År 2017 återupptog hon rollen i den andra säsongen, innan rollen övergick till skådespelerskan Olivia Colman, som skulle porträttera drottningen i medelåldern, med början i den tredje säsongen. Även 2017 spelade Foy Diana Cavendish i den biografiska dramafilmen Breathe.
Under 2018 spelade Foy i Steven Soderberghs psykologiska thriller Unsane, porträtterade medborgargarden Lisbeth Salander i actionthrillern Flickan i spindelnätet och Janet Shearon, hustru till den amerikanske astronauten Neil Armstrong, i Damien Chazelles biopic First Man. För den sistnämnda filmen nominerades hon till Golden Globe Award för bästa kvinnliga biroll i en film, Critics’ Choice Award för bästa kvinnliga biroll och British Academy of Film and Television Arts Award för bästa kvinnliga biroll.