Ses premières apparitions remarquées sont des rôles mineurs dans les séries télévisées Young Americans et New York unité spéciale en 2001. Michelle Monaghan fait ses débuts sur grand écran la même année dans Perfume de Michael Rymer, suivi en 2002 par un petit rôle dans Infidèle. Elle tourne également des publicités.

Elle incarne le personnage récurrent de Kimberly Woods pendant toute la troisième saison de Boston Public. Elle retourne ensuite au cinéma, où elle apparaît dans Une si belle famille (It Runs in the Family, 2003), Winter Solstice (2004) et Kiss Kiss Bang Bang (2005), film avec Robert Downey Jr. dans lequel elle tourne sa première (et unique à ce jour) scène de nu. Certaines de ses scènes dans Constantine et Syriana ne sont pas conservées au montage, mais la vidéo de ses essais pour Constantine lui vaut d'être auditionnée pour le casting de Mission : Impossible 3 ; en 20 minutes elle obtient le rôle de Julia, l'épouse de Tom Cruise dans le film.

En 2007, elle interprète le premier rôle féminin dans Les Femmes de ses rêves, remake du Brise-cœur (The Heartbreak Kid) où Cybill Shepherd avait créé le personnage d'origine. Par la suite, elle a partagé l'affiche avec Casey Affleck dans Gone Baby Gone et avec Patrick Dempsey dans Le Témoin amoureux. Dans Eagle Eye, elle joue aux côtés de Shia LaBeouf une mère célibataire accusée de terrorisme.