Kyle MacLachlan est l'un des acteurs fétiches de David Lynch qui lui offre en 1984 son premier rôle dans le film de science-fiction Dune. Leur collaboration se poursuit deux ans après avec Blue velvet (1986), un long métrage dont il partage l'affiche aux côtés de Laura Dern et pour lequel il refuse de tourner Platoon à la même époque. C'est toujours sous l'égide de David Lynch que Kyle MacLachlan connaît la consécration avec son interprétation de l'intrépide agent du FBI Dale Cooper dans Twin Peaks (1991) et la célèbre série télévisée du même nom.

L'occasion de tourner sous la direction d'Oliver Stone se présente à nouveau en 1990 avec Les Doors. Cette fois-ci, le comédien habitué à incarner les beaux jeunes premiers accepte de figurer au casting. Mais dans les années 90, il se voit souvent proposer des rôles de moindre importance comme en témoignent ses prestations dans La Famille Pierrafeu (1994), le sulfureux Showgirls (1995), où il se laisse envoûter par Elizabeth Berkley, et Mad dogs (1996). Parallèlement, Kyle MacLachlan renoue avec ses premières amours, le fantastique, en jouant dans le thriller Réactions en chaîne (1997) et en interprétant les séries Roswell (1994) et The Invisible man (1998) ainsi que les téléfilms Vault of horror I (1994) et The Spring (2000).

Redevenu populaire grâce au feuilleton Sex and the city (2000), l'acteur participe également à quelques entreprises risquées comme la version contemporaine d'Hamlet (2000) de Michael Almereyda, l'expérimental Time code (2001) de Mike Figgis ou encore l'onirique Northfork (2003) de Michael Polish. C'est après l'avoir vu dans une représentation de la pièce On an average day que le cinéaste Ian Iqbal Rashid lui propose d'être l'incarnation vivante de Cary Grant dans la comédie gay Un soupçon de rose (2004).