Na haar studie verhuisde Kaur naar Mumbai en werkte ze als printmodel. Ze begon te werken als theateractrice en verscheen in toneelstukken als Baghdad Wedding (2012), All About Women en Red Sparrow, waarbij ze werkte met regisseurs als Sunil Shanbag en Manav Kaul.
Kaur werd gelanceerd in een tweedelige muziekvideo voor de nummers “Tera Mera Pyar” van Kumar Sanu en “Yeh Kya Hua” van Shreya Ghoshal in 2004. De video’s werden geregisseerd door schrijver-redacteur Apurva Asrani. Ze deed ook TV-reclames.
Kaur maakte haar filmdebuut met een kleine rol in een Engelse film, One Night with the King (2006), die werd opgenomen in Rajasthan. Haar Hindi filmdebuut kwam met Peddlers in 2012, geproduceerd door Anurag Kashyap. De film werd vertoond op het filmfestival van Cannes en kreeg goede kritieken.
Kaur kwam in de publieke belangstelling toen ze verscheen in een Cadbury Silk commercial.
Kaur bezocht het festival van Cannes voor de tweede keer voor de epistolaire romantische film The Lunchbox (2013). De film was een commercieel en kritisch succes. Kaur kreeg lovende kritieken voor haar vertolking van een eenzame vrouw die via brieven een vriendschap begint met een man (gespeeld door Irrfan Khan). Raja Sen van Rediff.com zei over Kaur’s optreden: “Het is een ontwapenend natuurlijke prestatie die onmogelijk te vergeten en moeilijk te analyseren is, en in deze beperkte ruimte kan men slechts bewondering uitspreken.” Jay Weissberg van Variety noemde haar een “stralende aanwezigheid” en Pratim D. Gupta van The Telegraph zei dat “Nimrat alle sentimentaliteit wegstreept om waardigheid en gratie aan het personage te hechten. Dit is een sprankelend debuut.”
In 2014 was Kaur te zien als ISI-agente Tasneem Qureishi in het vierde seizoen van de Amerikaanse tv-serie Homeland. Hetzelfde jaar zegde ze toe met Rajkummar Rao de hoofdrol te spelen in een titelloos psychologisch drama dat geregisseerd zou worden door Saurabh Shukla.
In 2016 acteerde ze in het oorlogsdrama Airlift, naast Akshay Kumar. Gebaseerd op de civiele operatie van de evacuatie van Indiërs gevestigd in Koeweit tijdens de Irak-Koeweit oorlog, werd de film uitgebracht op 22 januari tot overwegend positieve recensies. Rajeev Masand schreef in zijn recensie: “Voor het grootste deel voelt de film authentiek aan, en Nimrat Kaur past er helemaal in. In de eerste scènes is ze nog wat onwennig, maar ze komt pas goed tot haar recht als ze een vernietigende monoloog moet houden tijdens een geloofscrisis over de daden van haar man. De film was een financieel succes. Kaur begon ook met het portretteren van Rebecca Yedlin in het tweede seizoen van de Amerikaanse televisieserie Wayward Pines in 2016.
In 2017 speelde Kaur als Shikha Sharma in de Hindi webserie The Test Case.
Ze keerde terug voor het achtste en laatste seizoen van Homeland als een serie regular in februari 2020.