Priyamani memulai karier aktingnya dengan film Telugu Evare Atagaadu pada tahun 2003. Namun, peran terobosannya datang melalui film Tamil Paruthiveeran (2007), di mana ia memerankan Muthazhagu, seorang wanita desa yang mengalami tragedi. Penampilannya yang kuat dalam film ini memberinya Penghargaan Film Nasional untuk Aktris Terbaik dan Penghargaan Filmfare untuk Aktris Terbaik – Tamil.

Setelah itu, Priyamani tampil dalam berbagai film berbahasa Telugu, Kannada, Malayalam, dan Hindi. Beberapa karya terkenalnya termasuk Thirakkatha (2008), Raavanan (2010), Pranchiyettan & the Saint (2010), dan Chaarulatha (2012). Ia juga dikenal di Bollywood melalui penampilannya dalam lagu “1-2-3-4 Get on the Dance Floor” dari film Chennai Express (2013).

Di platform OTT, Priyamani mendapatkan pengakuan luas atas perannya sebagai Suchitra Tiwari dalam serial web Amazon Prime The Family Man (2019–sekarang). Perannya dalam serial ini menunjukkan kemampuannya dalam memerankan karakter kompleks di era digital.