Erste schauspielerische Erfahrungen sammelte Weaver auf der Theaterbühne. So trat sie seit den 1970er Jahren wiederholt in diversen Bühneninszenierungen ihres Freundes und ehemaligem Mitstudierenden, Christopher Durang, auf; unter anderem 1981 in der Off-Broadway-Aufführung Beyond Therapy. Ihr Filmdebüt gab Weaver 1977 mit einer Kleinstrolle in Woody Allens Film Der Stadtneurotiker. 1979 erhielt sie die Hauptrolle der Ellen Ripley in Ridley ScottsScience-Fiction-Klassiker Alien, womit der bis dahin eher glücklosen Theaterschauspielerin der große Durchbruch gelang. Die Rolle war ursprünglich für einen männlichen Hauptdarsteller konzipiert und dann für eine Frau umgeschrieben worden. Die 1,84 Meter große Weaver begeisterte die Produzenten beim Vorsprechen durch ihre starke Ausstrahlung. Die nächsten zwei Jahre war sie jedoch wieder hauptsächlich am Theater aktiv.[2][4]
Nach der Geburt ihrer Tochter machte Weaver Anfang der 1990er Jahre eine zweijährige berufliche Pause. 1992 übernahm sie anschließend erneut ihre Paraderolle als Ellen Ripley in David Finchers Fortsetzung der Alien-Reihe, Alien 3. Im selben Jahr arbeitete sie erneut mit Ridley Scott zusammen und übernahm den Part der kastilischen Königin Isabella in dessen Historienfilm 1492 – Die Eroberung des Paradieses. In den nachfolgenden Jahren übernahm Weaver diverse Hauptrollen in den Filmen Dave (1993), Der Tod und das Mädchen (1994) und Copykill (1995). 1997 spielte sie erneut die Rolle der Ellen Ripley in Alien – Die Wiedergeburt, dem vierten Film der Alien-Reihe. 1998 gewann sie für ihre Darstellung der mondänen Janey[5] in Ang Lees Filmdrama Der Eissturm den BAFTA-Award als Beste Nebendarstellerin und erhielt außerdem eine Golden-Globe-Award-Nominierung in derselben Kategorie.[6] Eine zweite Golden-Globe-Award-Nominierung erhielt sie 1999 für ihre Hauptrolle in Unschuldig verfolgt.
Nach der Jahrtausendwende übernahm Weaver diverse Haupt- und Nebenrollen in verschiedenen Filmen wie Heartbreakers – Achtung: Scharfe Kurven! (2001), Das Geheimnis von Green Lake (2003) und The Village – Das Dorf (2004). In Snow Cake spielte sie 2005 die Rolle einer Autistin, deren Tochter bei einem Verkehrsunfall ums Leben kam. In dem Fernsehfilm Prayers for Bobby, der auf einer wahren Begebenheit basiert, spielte sie eine Homosexuellenaktivistin, deren Sohn sich wegen seiner sexuellen Neigung das Leben nimmt. Für diese Rolle erhielt sie 2009 eine Emmy-Nominierung. 2009 arbeitete sie erneut mit James Cameron zusammen und stand in dessen Science-Fiction-Epos Avatar als Dr. Grace Augustine vor der Kamera. Der aufwendig inszenierte Film galt mehrere Jahre lang als kommerziell erfolgreichstes Filmprojekt der Geschichte.
Im Jahr 2009 spielte Weaver die Rolle der Mary Griffith in ihrem ersten Fernsehfilm Prayers for Bobby, für den sie für einen Emmy Award,[8] den Golden Globe Award und den Screen Actors Guild Award nominiert wurde. Für den Film Avatar – Aufbruch nach Pandora (2009) traf sich Weaver wieder mit Aliens-Regisseur James Cameron und spielte eine wichtige Rolle als Dr. Grace Augustine, Leiterin des AVTR-Programms (Avatar) auf dem fiktiven Mond Pandora, dem Film mit den höchsten Einspielzahlen aller Zeiten.[9][10][11] Im September 2011 wurde bestätigt, dass Weaver zu Avatar: The Way of Water zurückkehren würde, wobei James Cameron erklärte, dass „niemand jemals in Science-Fiction stirbt“.[49][12]The Way of Water wurde, genau wie sein Vorgänger, veröffentlicht, mit kritischen und kommerziellen Erfolg.[13] Die Hauptdreharbeiten für Avatar: The Way of Water und Avatar 3 begannen gleichzeitig am 25. September 2017. Für Avatar 3 erklärte Weaver, dass sie einen anderen, derzeit unbekannten Charakter darstellen würde.[14][12]
Weaver moderierte zwei Episoden der langjährigen NBC-Sketch-Show Saturday Night Live: einmal bei der Premiere der 12. Staffel im Jahr 1986 und erneut in einer Episode der 35. Staffel im Januar 2010. Im März 2010 wurde sie für die Hauptrolle gecastet als Königin der Vampire in Amy HeckerlingsVamps – Dating mit Biss.[15] Sie wurde bei den Scream Awards 2010 mit dem Heroine Award geehrt, der ihre Arbeit in Science-Fiction-, Horror- und Fantasyfilmen würdigte. Im Dezember 2013 war Weaver Gasterzählerin bei Disneys Candlelight Processional im Walt Disney World Resort.[16]
Im Jahr 2014 schlüpfte Weaver zum ersten Mal seit 17 Jahren erneut in die Rolle von Ripley, indem sie die Figur im VideospielAlien: Isolation verkörperte. Ihr Charakter hat in der Hauptgeschichte einen Synchronsprecher und spielt eine zentrale Rolle in den beiden DLCs, die während der Ereignisse von Alien spielen, wobei die meisten Originaldarsteller ihre jeweiligen Charaktere sprechen.[17][18] Weaver trat in dem Film Exodus: Götter und Könige (2014) als Tuya unter der Regie von Ridley Scott neben Christian Bale, Joel Edgerton und Ben Kingsley auf.[19] Im Jahr 2015 spielte sie eine Nebenrolle in Neill Blomkamps Science-Fiction-Film Chappie und erklärte, dass sie zustimmen würde, in einer Alien-Fortsetzung aufzutreten, vorausgesetzt, dass Blomkamp Regie führt.[20] Am 18. Februar 2015 wurde offiziell bekanntgegeben, dass es eine Fortsetzung zu Alien geben wird, bei der Blomkamp die Regie übernehmen soll.[21] Am 25. Februar 2015 bestätigte Weaver, dass sie ihre Rolle als Ellen Ripley im neuen Alien-Film wiederholen würde.[22] Im Jahr 2016 äußerte sich Weaver in einem Cameo-Auftritt im Pixar-Film Findet Dorie.[23] Am 21. Januar 2017 antwortete Blomkamp auf eine Fanfrage auf Twitter, wie die Chancen seien, dass sein Alien-Projekt tatsächlich umgesetzt werde, mit „gering“.[24]
Im Jahr 2022 traf sie sich wieder mit James Cameron und trat in Avatar: The Way of Water (2022) an der Seite von Sam Worthington, Zoe Saldana und Kate Winslet auf. Der Film wurde zum dritthöchsten Einspielergebnis aller Zeiten und erhielt eine Nominierung für den Oscar als „Bester Film“.
Seit 1984 ist Weaver mit dem Regisseur Jim Simpson verheiratet. Im April 1990 wurde die gemeinsame Tochter Charlotte Simpson geboren,[29] die 2002 in dem Film The Guys von Jim Simpson auch ihre Tochter spielte.[30]
Seit ihrer Rolle in Gorillas im Nebel ist Weaver eine aktive Unterstützerin der von Dian Fossey gegründeten Organisation Digit Fund, welche sich für den Artenschutz von Berggorillas einsetzt.
Durch ihr Mitwirken in der Doku The Acid Test (2009) sensibilisiert bezüglich der zunehmenden Versauerung der Meere sprach Weaver im April 2012 außerdem in einer Anhörung des US-Senats zu diesem Thema und drängte auf eine Änderung der Klimaschutzgesetze.[31] Auch in ihrem Blog bei der Huffington Post schrieb sie zum Thema Klimawandel und Umweltschutz.[32]