Film pendek pertama karya Bigelow adalahThe Set-Up (1978), sebuah film dekonstruksi kekerasan dengan masa putar 20 menit. Film tersebut mengetengahkan "dua lelaki (termasukGary Busey) saling berkelahi satu sama lainnya sementaraSylvère Lotringer dan Marshall Blonsky melakukandekonstruksi adegan dalam narasi."[2] Film cerita panjang pertama yang dibuatnya adalah film pengendara sepeda motorThe Loveless (1982) yang disutradarainya bersamaMonty Montgomery. Dalam film tersebut,Willem Dafoe dipakainya sebagai bintang utama. Film berikutnya adalahNear Dark (1987), skenario ditulisnya bersamaEric Red. Masih pada tahun yang sama, ia menyutradarai video musik untuk laguNew Order, "Touched by the Hand of God" yang dibuatnya sebagai olok-olok bagi citra musikheavy metal.
Eric Red kembali menjadi mitranya sebagai penulis untuk film Bigelow tahun 1990,Blue Steel. FilmBlue Steel dibintangiJamie Lee Curtis sebagai polisi muda yang dikuntit oleh pembunuh psikopat (diperankan olehRon Silver). Film berikutnya adalahPoint Break (1991) yang dibintangiKeanu Reeves sebagai agen FBI yang menyamar sebagai peselancar. Reeves bergabung dengan kelompok peselancar sekaligus perampok bersenjata "Ex-Presidents" pimpinanPatrick Swayze. Sewaktu merampok bank, mereka mengenakan topeng mantan presiden Amerika Serikat, Reagan, Nixon, LBJ, dan Jimmy Carter. Pada tahun 1993, ia menyutradarai episode serial televisiWild Palms.
Saya telah menghabiskan cukup banyak waktu untuk berpikir apa sebenarnya yang menjadi bakat saya, dan betul-betul percaya bakat saya adalah dalam mengeksplorasi dan memaksimalkan medianya. Ini bukan soal mematahkan peran gender atau tradisi gender.
Bigelow pada tahun 2000 menyutradarai filmThe Weight of Water yang diangkat darinovel berjudul sama. Film mengisahkan dua orang wanita yang menjadi korban pembunuhan sadis.
Pada tahun 2002, ia menyutradaraiK-19: The Widowmaker dengan bintangHarrison Ford. Film ini mengisahkan pengorbanan awak kapal selam nuklir Uni Soviet untuk mencegah bencana nuklir akibat reaktor nuklir kapal yang rusak.
Film berikut Bigelow adalahThe Hurt Locker yang pertama kali diputar diFestival Film Venesia pada September 2008, dan diedarkan di Amerika Serikat pada Juni 2009. Film ini berhak mengikuti perebutanPiala Oscar 2010 karena belum diputar diLos Angeles hingga pertengahan 2009. Film ini berlatar belakang perang di Irak, dan menurutMetacritic memperoleh "sambutan universal",[5] serta rating 97% "fresh" dari "Top Critics"Rotten Tomatoes.[6] FilmThe Hurt Locker dibintangi olehJeremy Renner,Brian Geraghty danAnthony Mackie, serta cameo olehGuy Pearce,David Morse danRalph Fiennes. Berkat film ini, Bigelow memenangi penghargaanDirectors Guild of America untuk Sutradara Film Cerita Terbaik, sekaligus wanita pertama yang memenangi penghargaan tersebut. Gelar Film Terbaik dan Sutradara Terbaik juga diperolehnya dalamPenghargaan Film British Academy ke-63 pada tahun 2010.[7] Ia juga menjadi wanita pertama yang menerima Piala Oscar untuk Sutradara Terbaik untuk filmThe Hurt Locker.[8]
Bigelow pernah menjadi model untuk iklan busanaGap, dan berakting sebagai redaktur surat kabar dalam filmBorn in Flames (1983) karya sutradaraLizzie Borden.
Dari 1989 hingga 1991, Bigelow menikah dengan rekan sesama sutradaraJames Cameron. PadaAcademy Awards ke-82, 7 Maret 2010, keduanya dinominasikan sebagai Sutradara Terbaik, namun dimenangi oleh Bigelow.
