Debutó en el cine ese mismo año con Impure Thoughts. Su primer gran papel fue en la película cómica de ciencia ficción Mi novia es un extraterrestre (1988). Como curiosidad cabe decir que uno de sus compañeros fue Seth Green, que sería su novio en la ficción en Buffy, la cazavampiros. En 1989 consiguió su primer papel regular en Free Spirit (ABC). A lo largo de los 90 apareció en varios anuncios de televisión. Durante esa década también protagonizó varios telefilmes como Cambiadas al nacer (1991) o A case for life (1996).

En 1997 consiguió el papel de Willow Rosenberg en Buffy, la cazavampiros, serie que se convirtió en un éxito y que le sirvió el reconocimiento del público. En su recta final en la serie (2003), la actriz cobraba 250.000 dólares por episodio.

Una vez en el campamento

Gracias a su trabajo en esta serie, Hannigan apareció en American Pie, American Pie 2, American Wedding y Boys and Girls. Recuperó su papel de Willow en la séptima temporada de la serie y en la cuarta del spin-off de ésta: Angel.

A principios de 2004 realizó su debut en el West End de Londres protagonizando una adaptación teatral de When Harry Met Sally..., en el Teatro Haymarket, junto a Luke Perry. 

Todos amamos a Lily

Fue en 2005 cuando inició su etapa en la serie How I Met Your Mother como Lily Aldrin. Además, en ese mismo año, interpretó a Trina Echolls en Veronica Mars. Un año más tarde apareció en Date Movie como Julia Jones.