Актёрскую карьеру начала с выступлений в различных театрах, ставящих мюзиклы и лёгкие комедии, а её дебют на большом экране состоялся в 1999 году в чёрной комедии «Убийственные красотки». После нескольких эпизодических появлений в телесериалах и ролей в фильмах категории «Б», Адамс была взята на роль Бренды Стронг в фильме 2002 года «Поймай меня, если сможешь». Однако настоящую известность и множество хвалебных отзывов кинокритиков ей принесла роль Эшли Джонстен в независимом фильме 2005 года «Июньский жук», за игру в котором она была удостоена номинации на премию американской Академии кинематографических искусств и наук «Оскар» в категории Лучшая женская роль второго плана.

В 2007 году на экраны кинотеатров вышел ставший коммерчески успешным и снискавший одобрительные отзывы критиков фильм производства Студии Диснея «Зачарованная», в котором Адамс исполнила главную роль сказочной принцессы Жизель, принёсшую ей номинацию на премию «Золотой глобус». А уже в следующем году за роль молодой монахини Сестры Джеймс в фильме «Сомнение» она во второй раз была номинирована на премии «Оскар» и «Золотой глобус». Несмотря на то, что актёрский талант позволял Адамс играть как комедийные, так и драматические роли, за ней закрепилась репутация исполнительницы жизнерадостных и весёлых персонажей.

В 2010 году в прокат вышли романтическая комедия «Как выйти замуж за 3 дня» и драма «Боец», в которой Адамс сыграла роль Шарлин Флеминг, за которую в третий раз была номинирована на премии «Оскар» и «Золотой глобус», во второй раз — на премию Британской академии кино и телевизионных искусств (BAFTA) и в пятый раз — на премию Гильдии киноактёров. В 2012 году она создала образ безжалостной Пегги Додд в картине «Мастер» (принёсший ей очередные номинации на «Оскар», «Золотой глобус» и BAFTA), а также роль дочери бейсбольного тренера в исполнении Клинта Иствуда в спортивной драме «Кручёный мяч».