A 18 ans, Sissy Spacek s'inscrit à l'Actor's Studio et suit pendant une année les cours de Lee Strasberg. En 1972, elle fait ses grands débuts au cinéma dans Carnage, un thriller de Michael Ritchie, aux côtés de Lee Marvin et de Gene Hackman. L'année suivante, elle interprète une otage amoureuse de son ravisseur dans le très lyrique film de Terence Malick : La Balade sauvage. Mais, c'est en tenant le rôle principal d'une lycéenne aux pouvoirs surnaturels dans le terrifiant Carrie au bal du diable de Brian De Palma que Sissy Spacek devient une actrice mondialement reconnue.

Elle tourne par la suite dans Trois femmes, un drame sous la direction de Robert Altman, et dans Heart Beat de John Byrum. En 1981, Hollywood la consacre en lui attribuant l'Oscar de la meilleur actrice pour son rôle de chanteuse country dans Nashville Lady de Michael Apted. Dès lors, Sissy Spacek enchaîne les tournages. Elle joue ainsi l'épouse d'un journaliste disparu dans une dictature d'Amérique latine dans Missing de Costa-Gavras (1982), l'épouse d'un fermier ruiné dans La Rivière, une jeune femme divorcée dans Crimes du coeur de Bruce Beresford (1986).

Au début des années 90, elle multiplie les téléfilms, dont Streets of Laredo, un western aux côté de Sam Shepard. Elle fait un retour remarqué au cinéma en 1998 dans le sombre Affliction de Paul Schrader, puis dans Une histoire vraie de David Lynch, où elle interprète une femme fragilisée par la perte de son enfant. Avec son physique particulier, Sissy Spacek est souvent cantonnée dans rôles de femme-enfant au destin tragique. Sa performance dans In The Bedroom, le film de Todd Field, lui vaut d'être à nouveau nommé en 2002 pour l'Oscar de la meilleur actrice.

Les retrouvailles de Sissy avec le film d'épouvante ont lieu à travers Le Cercle - The Ring 2 en 2003, presque trente ans après Carrie au bal du diable. En 2005 elle est au générique de L' Affaire Josey Aimes, dans lequel elle interprète la mère de Charlize Theron.