Kate Mara mulai berakting pada usia sembilan tahun dalam sebuah pertunjukan musikal di sekolahnya. Dia menghadiri beberapa sekolah seni teater remaja dan tampil di teater komunitas dan drama sekolah. Dalam wawancara majalah Esquire, dia mengatakan bahwa dia sangat pemalu ketika masih kecil, dan hanya memiliki satu teman. Audisi pertamanya adalah untuk drama polisi NBC, Homicide: Life on the Street. Meskipun tidak mendapatkan peran tersebut, dia tahu sejak itu bahwa dia ingin menjadi aktris. Kate Mara lulus dari Fox Lane High School satu tahun lebih cepat dan diterima di Tisch School of the Arts di New York University untuk belajar teater musikal, tetapi dia menunda slotnya untuk bekerja sebagai aktris.
Karir Kate Mara dimulai dengan peran televisi pertamanya dalam drama hukum NBC, Law & Order pada tahun 1997. Dia kemudian muncul sebagai bintang tamu dalam beberapa seri televisi, termasuk Madigan Men, Ed, dan Law & Order: Special Victims Unit. Pada tahun 2003, Mara mendapatkan dua peran berulang, sebagai Kate di Everwood, seorang remaja berusia 18 tahun yang hamil oleh guru piano dan kemudian melakukan aborsi, dan sebagai Vanessa di Nip/Tuck, seorang cheerleader biseksual yang terlibat dalam segitiga cinta dengan pacarnya Matt McNamara (John Hensley) dan seorang cheerleader lainnya (Sophia Bush). Mara juga tampil di Cold Case, Boston Public, CSI: Miami, dan CSI: Crime Scene Investigation pada tahun yang sama. Mara mendapatkan peran utama dalam film "Random Hearts" pada tahun 1999. Dia kemudian muncul dalam film-film seperti Brokeback Mountain (2005), We Are Marshall (2006), Shooter (2007), Transsiberian (2008), Stone of Destiny (2008), The Open Road (2009), Transcendence (2014), The Martian (2015), Fantastic Four (2015), Morgan (2016), Megan Leavey (2017), My Days of Mercy (2017), dan Chappaquiddick (2018). Pada tahun 2020, Mara mendapatkan nominasi Independent Spirit untuk Best New Scripted Series sebagai produser eksekutif dalam miniseri A Teacher.