Karir Stana Katic dimulai dengan peran-peran kecil di beberapa film dan serial televisi seperti Heroes, 24, dan Feast of Love. Ia juga membintangi film The Spirit dan Quantum of Solace. Pada tahun 2008, Stana mendapatkan peran utama sebagai Kate Beckett dalam serial televisi Castle yang ditayangkan oleh ABC. Ia juga mendirikan perusahaan produksi miliknya sendiri yang bernama Sine Timore Productions. Selama bermain di Castle, Stana mendapatkan pengakuan atas penampilannya yang menarik, dan ia masuk dalam daftar "100 Wanita Paling Seksi di TV" versi BuddyTV dari tahun 2009 hingga 2013, bahkan menduduki peringkat pertama pada tahun 2011. Ia juga masuk dalam daftar "15 Aktris Utama Drama Terbaik Musim TV 2011-2012" versi BuddyTV. Stana juga masuk dalam daftar Maxim Hot 100 dari tahun 2012 hingga 2014.
Selain berakting di Castle, Stana juga membintangi beberapa film seperti For Lovers Only dan The Double. Ia juga menjadi pengisi suara karakter Talia al Ghul dalam permainan video Batman: Arkham City. Pada tahun 2012, Stana menjadi presenter di acara Annual Directors Guild of America Awards. Ia juga memenangkan PRISM Award for Performance in a Drama Episode atas penampilannya yang menggambarkan penderitaan gangguan stres pasca trauma dalam episode "Kill Shot" di musim keempat Castle. Stana juga dinominasikan dalam kategori Aktris TV Drama Favorit di People's Choice Awards ke-39 dan memenangkan kategori tersebut di People's Choice Awards ke-40. Pada tahun 2013, Stana memerankan penyanyi rock dan produser Genya Ravan dalam film CBGB.
Setelah Castle berakhir, Stana memainkan peran Carolina Baxter dalam film Sister Cities yang ditayangkan oleh Lifetime pada tahun 2016. Stana juga tampil dalam serial thriller psikologis Absentia sebagai FBI Special Agent Emily Byrne dari tahun 2017 hingga 2020. Stana Katic adalah seorang aktris yang berbakat dan memiliki prestasi yang mengesankan dalam karirnya.