Phim ngắn đầu tiên của Bigelow, The Set-Up (1978), là một tập phim 20 phút phân tích sự bạo lực trong phim ảnh. Phim có cảnh hai người đàn ông (có sự tham gia của Gary Busey) đang đánh nhau và nhà ký tượng học Sylvère Lotringer và Marshall Blonsky phân tích ý nghĩa của những lời nói của họ."[5] Bộ phim dài đầu tay của Bigelow là The Loveless (1982), bộ phim mà bà hợp tác với đạo diễn Monty Montgomery và giới thiệu Willem Dafoe trong vai diễn đầu tiên của anh. Tiếp tục, bà đạo diễn cho Near Dark (1987), cùng viết kịch bản với Eric Red. Cùng năm đó, bà làm đạo diễn cho đoạn nhạc phim "Touched by the Hand of God cho phim New Order.

Eric Red cũng cùng viết kịch bản với Bigelow trong bộ phim của bà năm 1990, Blue Steel. Blue Steel gồm các diễn viên Jamie Lee Curtis trong vai một cảnh sát tân binh, bị một kẻ giết người thần kinh theo sát, diễn bởi Ron Silver.

Bộ phim tiếp theo của Bigelow là Point Break (1991), với diễn viên Keanu Reeves trong vai một điệp viên FBI theo sát băng cướp vũ trang "Ex-Presidents", cầm đầu bởi Patrick Swayze mang mặt nạ Reagan, Nixon, LBJ và Jimmy Carter khi chúng cướp ngân hàng. Năm 1993, bà đạo diễn một tập trong sê-ri phim truyền hình Wild Palms.

Bộ phim năm 1995 của Bigelow, Strange Days được biên tập và sản xuất bởi James Cameron, chồng cũ của bà. Bà tiếp tục làm đạo diễn cho Homicide: Life on the Street vào 1997 và 1998.

Dựa trên tiểu thuyết The Weight of Water của tác giả Anita Shreve, bộ phim cùng tên năm 2000 của Bigelow The Weight of Water nói về hai người phụ nữ mắc trong một mối quan hệ ngột ngạt. Bộ phim này khác với các phim trước của Bigelow ở chỗ nó không có những hành động có mục đích và những sự việc gây sững sờ.

Năm 2002, bà đạo diễn cho phim K-19: The Widowmaker, diễn viên Harrison Ford, về một nhóm những người đàn ông trên một chiếc tàu ngầm hạt nhân của Liên bang Soviet. Mặc dù có diễn biến gồm các pha hành động, bộ phim rất được ưa thích, và đã nhận được nhiều sự phản ứng từ các nhà phê bình, đạt được tổng điểm là 58 trên Metacritic.

Bộ phim tiếp theo mà bà làm đạo diễn là The Hurt Locker, được công chiếu đầu tiên tại Lễ hội Phim Venice vào tháng 9 năm 2008 và được phát hành tại Mỹ vào tháng 6 năm 2009. Lấy bối cảnh chiến tranh Iraq, bộ phim nhận được "sự ca ngợi trên toàn thế giới" (theo Metacritic)[8] và nhận được tỉ lệ "tươi mới" là 97% từ "Những nhà phê bình" của Rotten Tomatoes.[9] Gồm các diễn viên Jeremy Renner, Brian Geraghty và Anthony Mackie, và một đoạn ngắn có sự xuất hiện của Guy Pearce, David Morse và Ralph Fiennes. Bà đã được nhận Giải thưởng của Hiệp Hội Đạo diễn Hoa Kỳ cho Chỉ đạo diễn xuất xuất sắc nhất của Hiệp Hội Đạo diễn Hoa Kỳ (trở thành người đầu tiên nhận được giải thưởng này), và bà cũng nhận được đề cử Quả cầu vàng cho chỉ đạo diễn xuất xuất sắc. Năm 2010, bà nhận được Giải thưởng cho đạo diễn xuất sắc nhất; The Hurt Locker trở thành Phim xuất sắc nhất trong Giải thưởng Viện Hàn Lâm Anh quốc lần thứ 63.[10] Bà cũng trở thành nữ đạo diễn đầu tiên nhận được Giải Oscar cho Đạo diễn xuất sắc nhất trong phim The Hurt Locker.[11]