Efter studierna flyttade Kaur till Mumbai och arbetade som tryckmodell. Hon började arbeta som teaterskådespelerska och medverkade i pjäser som Bagdad Wedding (2012), All About Women och Red Sparrow och arbetade med regissörer som Sunil Shanbag och Manav Kaul.
Kaur lanserades i en tvådelad musikvideo för låtarna ”Tera Mera Pyar” av Kumar Sanu och ”Yeh Kya Hua” av Shreya Ghoshal år 2004. Videorna regisserades av författaren och redaktören Apurva Asrani. Hon gjorde också tv-reklam.
Kaur gjorde sin filmdebut med en liten roll i en engelsk film, One Night with the King (2006), som spelades in i Rajasthan. Hennes hindi filmdebut kom med Peddlers 2012, producerad av Anurag Kashyap. Filmen visades på filmfestivalen i Cannes och fick goda recensioner.
Kaur uppmärksammades av allmänheten när hon medverkade i en reklamfilm för Cadbury Silk.
Kaur deltog i Cannesfestivalen för andra gången för den epistolära romantiska filmen The Lunchbox (2013). Filmen blev en kommersiell och kritisk framgång. Kaur fick mycket goda recensioner för sin skildring av en ensam hustru som börjar en vänskap med en man (spelad av Irrfan Khan) genom brev. Raja Sen från Rediff.com sade om Kaurs prestation: ”Det är en avväpnande naturlig prestation som är omöjlig att glömma och svår att analysera, och i detta begränsade utrymme kan man bara uttrycka sin beundran.” Jay Weissberg från Variety kallade henne en ”strålande närvaro” och Pratim D. Gupta från The Telegraph sa att ”Nimrat avlägsnar all sentimentalitet för att ge karaktären värdighet och grace. Det här är en gnistrande debut.”
2014 spelade Kaur rollen som ISI-agenten Tasneem Qureishi i den fjärde säsongen av den amerikanska tv-serien Homeland. Samma år åtog hon sig att spela tillsammans med Rajkummar Rao i ett obetitlat psykologiskt drama som ska regisseras av Saurabh Shukla.
2016 medverkade hon i krigsdramat Airlift, tillsammans med Akshay Kumar. Filmen är baserad på den civila operationen för evakuering av indier baserade i Kuwait under kriget mellan Irak och Kuwait och släpptes den 22 januari och fick mestadels positiva recensioner. Rajeev Masand skrev i sin recension: ”För det mesta känns filmen autentisk och Nimrat Kaur smälter in. Hon är bara lite obekväm i de första scenerna, men kommer till sin rätt när hon måste hålla en svidande monolog under en troskris över sin mans handlingar.” Filmen blev en ekonomisk framgång. Kaur började också porträttera Rebecca Yedlin i den andra säsongen av den amerikanska tv-serien Wayward Pines 2016.
2017 spelade Kaur huvudrollen som Shikha Sharma i den hindiska webbserien The Test Case.
Hon återvände till den åttonde och sista säsongen av Homeland som ordinarie seriekomponent i februari 2020.