1999年，菊地凛子主演了她的第一部影视作品《生之欲》。影片由新藤兼人执导，以现代人的角度重新审视了日益严重的老人问题。

2000年，菊地凛子与墨西哥导演亚利桑德罗·冈萨雷斯·伊纳里图合作影片《通天塔》，在影片中饰演孤独叛逆的聋哑少女千惠子。片中菊地凛子表现出众，凭此片她获得了包括奥斯卡最佳女配角奖在内的多个奖项的提名，并在国际影坛崭露头角。

2007年，菊地凛子在影片《恋爱部屋》中饰演敦子一角，和新垣结衣、松田龙平在片中展开了一段三角恋爱。

2008年，由莱恩·约翰逊执导的《布鲁姆兄弟》上映，菊地凛子在片中与艾德利安·布洛迪、马克·鲁弗洛、蕾切尔·薇姿等好莱坞演员合作，饰演寡言少语但出手不凡的日本女孩邦邦。

2010年，菊地凛子主演了影片《挪威的森林》，在片中她饰演多愁善感的直子。该片改编自日本作家村上春树最广为人知的同名小说，由法籍越南裔导演陈英雄执导，影片获第67届威尼斯国际电影节金狮奖提名。

2013年，由吉尔莫·德尔·托罗执导的科幻片《环太平洋》上映，菊地凛子在片中饰演女主角森麻子。电影许多元素致敬怪兽、机甲和日本动画，获得了第41接动画安妮奖的最佳真人电影动画效果奖。

2014年，菊地凛子在《宝藏猎人久美子》中饰演久美子。久美子与城市生活格格不入，她坚信电影《冰血暴》中被埋藏的宝藏一定存在。该片获得了第30届圣丹斯电影节的评审团特别奖。

2015年1月1日，菊地凛子宣布已经和染谷将太结婚，1992年出生的染谷将太是日本当红实力派演员，凭借《庸才》、《再见歌舞伎町》等影片获得了多项国际电影节的最佳新人奖。

2015年，菊地凛子主演了电视剧《造梦女孩》，剧中她饰演一位将期望寄托于女儿身上、控制欲极强的母亲干子，该剧根据芥川奖获奖作家绵矢莉莎的原作改编，小松菜奈在剧中饰演菊地凛子成年后的女儿。

2018年，拍摄计划一再推迟的《环太平洋》续集《环太平洋2：雷霆再起》上映，菊地凛子饰演的森麻子不再是核心角色。该片在全球共获得了2.9亿美元的票房，但获得的评价整体褒贬不一。

2018年10月，菊地凛子再次与松田龙平和新垣结衣搭档，共同主演日剧《我们无法成为野兽》，在片中菊地凛子饰演设计师橘吴羽，剧中吴羽赤诚坦率、特立独行，是一个敢说敢做的“小野兽”，与新垣结衣饰演的当代职场人形成了鲜明对比。