Pada tahun 2001, Poehler bergabung dengan acara komedi sketsa Saturday Night Live (SNL) di NBC sebagai anggota pemain. Dari tahun 2004 hingga 2008, ia menjadi co-anchor segmen parodi berita acara tersebut, Weekend Update. Poehler meninggalkan SNL di tengah musim kedelapannya untuk membintangi sitkom Parks and Recreation sebagai Leslie Knope, yang juga ia produksi dan bintangi hingga tahun 2015.
Poehler juga menjadi produser eksekutif untuk serial televisi Welcome to Sweden, Broad City, Difficult People, Duncanville, Three Busy Debras, dan Russian Doll. Ia sering bekerja sama dengan Tina Fey di SNL dan kemudian berakting bersama dalam film-film seperti Mean Girls, Baby Mama, Sisters, dan Wine Country. Fey dan Poehler juga menjadi pembawa acara Golden Globe Awards sebanyak empat kali pada tahun 2013, 2014, 2015, dan 2021. Poehler juga menyediakan suara untuk film animasi seperti Shrek the Third, Horton Hears a Who!, Monsters vs. Aliens, Hoodwinked Too! Hood vs. Evil, Free Birds, dan Inside Out.
Pada tahun 2015, Poehler menerima bintang di Hollywood Walk of Fame atas kontribusinya dalam dunia televisi. Ia memenangkan Golden Globe Award untuk Aktris Terbaik dalam Serial Musikal atau Komedi pada tahun 2014 dan Critics' Choice Award untuk Aktris Terbaik dalam Serial Komedi pada tahun 2012. Bersama dengan Fey, ia juga memenangkan Primetime Emmy Award untuk Aktris Tamu Terbaik dalam Serial Komedi pada tahun 2016 atas pengisi acara SNL.