Bắt đầu sự nghiệp tại Ấn Độ, bà Nooyi giữ chức quản lý sản phẩm của tập đoàn mỹ phẩm và hàng tiêu dùng  Johnson & Johnson và công ty dệt Mettur Beardsell. Trong lúc học tại trường quản lý Yale, bà Nooyi hoàn thành kì thực tập hè tại Booz Allen Hamilton..[14] Năm 1980, bà Nooyi tham gia vào công ty quản lý đa quốc gia Boston và sau đó giữ chức vụ chiến lược tại  Motorola và Asea Brown Boveri.[15]

Điều hành PepsiCo 

Bà Nooyi gia nhập PepsiCo năm 1994 và trở thành CFO in 2001. Bà là giám đốc và CEO từ năm 2006, thay thế cho Steven Reinemund, trở thành CEO thứ 5 khi tập đoàn PepsiCo được 44 năm tuổi[16]. Bà Nooyi trực tiếp điều hành chiến lược toàn cầu của tập đoàn hơn một thập kỉ và lãnh đạo PepsiCo tái cơ cấu, trong đó phải kể đến sự ra đời của Tricon, nay là nhãn hàng  Yum! Brands. Bà Nooyi đồng thời giữ vai trò điều hành trong thắng lợi của Tropicana năm 1988,[17] đồng thời trong công cuộc xác nhập công ty Quaker Oast của PepsiCo. Bà đứng thứ 3 trong top nhưng nữ doanh nhân quyền lực theo Fortune năm 2014.

Từ khi giữ vai trò CFO năm 2001,[18] lợi nhuận hằng nay của công ty có bước nhảy vọt từ 2.7 tỷ dola lên 6,5 tỷ dola.[19][20]

Bà Nooyi có tên trong danh sách 50 phụ nữ theo đề cử của Wall Street Journal' các năm 2007,2008,[21][22] và nằm trong danh sách 100 người có ảnh hưởng nhất thế giới năm 2007, 2008 theo đề cử của tạp chí Time giai đoạn 2007 - 2008. Forbes xác lập bà là một trong 3 phụ nữ quyền lực nhất năm 2008.[23] Năm 2014, bà đứng thứ 13 trong danh sách của Forbes. Fortune  xác lập vị trí nữ doanh nhân quyền lực nhất cho bà liên tiếp 2 năm 2009 và 2010.  Vào ngày 07 tháng 10 năm 2010, tạp chí Fortune xếp hạng bà là người phụ nữ quyền lực thứ 7 thế giới..[24][25] Theo bảng xếp hạng những người phụ nữ quyền lực nhất của Fortune, ngày 15 tháng 9 năm 2015, bà Nooyi đứng thứ 2.[26]

Việc điều hành chiến lược của bà Nooyi tại PepsiCo đã gặt hái được những thành công lớn.[27]. Bà phân loại các sản phẩm của PepsiCo theo 3 tiêu chí: niềm vui cho bạn (các sản phẩm như bim bim khoai tây hay nước ngọt thông thường), tốt hơn cho ban (phiên bản giảm cân hoặc ít chất béo của bim bim và nước ngọt), và tốt cho bạn (các sản phẩm như yến mạch). Sáng kiến của bà được bà được cấp vốn dồi dào. Bà chuyển đổi mô hình kinh doanh từ đồ ăn nhẹ sang các sản phẩm vì sức khỏe, với sứ mệnh nâng nâng cao sức khỏe thay vì những thú vui có hại..[28] Năm 2005, bà Nooyi bỏ chất  aspartame khỏi đồ uống Pepsi Diet, biến nó thành một đồ uống có lợi cho sức khỏe, mặc dù chưa có chứng cứ nào cho thấy aspartame là chất có hại.

Bà Nooyi đánh dấu khát khao phát triển chuỗi sản phẩm đồ ăn vặt dành cho phụ nữ, ngành mà cho đến nay vẫn chưa phát triển. Trong một bài phòng vấn trên đài phát thanh, bà Nooyi công bố PepsiCo sẽ đưa ra bao bì sản phẩm dựa trên sở thích của phụ nữ và dựa trên sự khác nhau giữa lựa chọn đồ ăn vặt của nam và nữ[29]

Vào ngày 6 tháng 8 năm 2018, PepsiCo xác nhận rằng bà Nooyi sẽ từ chức CEO và Ramon Laguarta, với 22 năm kinh nghiệm ở PepsiCo, sẽ thay thế bà vào ngày 3 tháng 10. Ramon Laguarta đã thay thế bà, trở thành thành viên của ban giám đốc. Tuy nhiên, Bà Nooyi sẽ tiếp tục giữ vai trò chủ tịch của công ty cho đến đầu năm 2019.[30] Trong nhiệm kỳ của bà, doanh thu của công ty đã tăng 80%. Nooyi giữ chức vụ Giám đốc điều hành trong 12 năm, dài hơn 7 năm so với vị trí CEO trung bình tại các công ty lớn, theo một nghiên cứu tương tự[31]