Ha trabajado en películas como Máscara (1985), Terciopelo azul (1986), Fat Man and Little Boy (1989), Wild at Heart (1990), Rambling Rose (1991), Parque Jurásico (1993), Un mundo perfecto (1993), Cielo de octubre (1999), I am Sam (2001), Ya no somos dos (2004), Inland Empire (2006), The Master (2012), Alma salvaje (2014), Star Wars: Episodio VIII - Los últimos Jedi (2017) o Historia de un matrimonio (2019).

Fue nominada al Óscar a la mejor actriz por su trabajo en la película Rambling Rose y al Óscar a la mejor actriz de reparto por Alma salvaje, y fue ganadora como mejor actriz de reparto por Historia de un matrimonio. Por Ya no somos dos recibió el premio a la mejor actriz de reparto de la Boston Society of Film Critics. Junto a Isabella Rossellini es una de las musas del aclamado director David Lynch, participando en películas tan icónicas como Wild at Heart o Terciopelo azul.

Ha trabajado mucho en televisión, señaladamente en Afterburn, por la que recibió un Globo de Oro a la mejor actriz de miniserie. Ha sido actriz invitada en El ala oeste de la Casa Blanca y su voz ha aparecido en King of the Hill; también actuó como lesbiana y la primera persona con la que Ellen DeGeneres se sincera y sale del armario, en el famoso episodio de la serie Ellen "The Puppy Episode" (Episodio del cachorro en español).

Dern es conocida además por su intenso activismo político en pro de causas humanitarias, como The Children's Health Environmental Coalition, organización que trata de llamar la atención sobre las sustancias tóxicas que pueden afectar la salud de los niños.