Ha participado en películas como Coach Carter (2005), Pulse (2006), The Help (2011), Snowpiercer (2013), Hidden Figures (2016) y The Shape of Water (2017). Recibió el Premio Óscar a la mejor actriz de reparto por su papel en The Help, y recibió dos nominaciones más en la misma categoría por sus roles como Dorothy Vaughan en Hidden Figures y Zelda Fuller en The Shape of Water, convirtiéndose en la primera actriz de ascendencia afroamericana en recibir dos nominaciones consecutivas. En televisión, protagonizó Madam C. J. Walker: Una mujer hecha a sí misma, miniserie donde interpretó a Madam C. J. Walker y que le valió una nominación al Primetime Emmy a la mejor actriz - Miniserie o telefilme. Además, ha participó en varios capítulos de la versión estadounidense de Ugly Betty en 2007.

Más tarde intervendría brevemente en episodios de series de televisión como ER (1998), Chicago Hope (1999), Expediente X (1999), Malcolm in the Middle (2000), Médium (2005) o CSI: Crime Scene Investigation (2008). También conseguiría personajes más extensos en producciones televisivas como City of Angels (2000), The Chronicle (2002), Ugly Betty (2007), dando vida a Constance Grady, y en la serie de Disney Channel Wizards of Waverly Place (2007). Entre sus intervenciones en cine se encuentran las comedias De ladrón a policía (1999) y Big Momma's House (2000), y los dramas Bad Santa (2003) y Coach Carter (2005), protagonizado por Samuel L. Jackson." En 2009 estuvo en Halloween II" en el cual interpretó a una enfermera asesinada por Michael Myers.

Dirigió, escribió y produjo el cortometraje The Unforgiving Minute en 2010, narrado por Viola Davis.​ En 2011 llegó su primer personaje relevante en el cine con el drama The Help, donde compartió protagonismo con Viola Davis y Emma Stone. Su interpretación de Minny Jackson le supuso buenos comentarios por parte de la prensa cinematográfica, viendo en ella una posible candidata en la temporada de premios.​ Finalmente ganó en la categoría de «mejor actriz de reparto» en los Premios Óscar, Premios BAFTA, Globos de Oro y en los Premios del Sindicato de Actores.​ La película sumó, sólo en Estados Unidos, más de 169 millones de dólares, convirtiéndose así en el mayor éxito comercial de su filmografía.

En octubre de 2011 se confirmó que Spencer se unió al reparto del nuevo proyecto de la guionista Diablo Cody en su debut como directora, titulado Lamb of God.

En 2013, interpreta a Regina en la serie original de CBS, Mom y sale en la película surcoreanoestadounidense Snowpiercer.