Alors à peine âgée de 12 ans, Cynthia Nixon commence à se faire les dents au théâtre. Au fil des ans, elle gagne en expérience et joue dans de nombreuses pièces de Broadway. De cette période, son travail est récompensé par une nomination aux Tony Awards pour son rôle dans "Indiscrétions" et un prix aux Los Angeles Drama Critics Awards. En parallèle, elle apparaît dans des séries télévisées telles que Nash Bridges ou Arabesque.

Les années 80 marquent un virage dans la carrière de l'actrice puisque le cinéma lui ouvre ses portes. On la découvre sur grand écran dans Les Petites chéries (1980) de Ronald F. Maxwell. Elle poursuit ensuite avec d'autres petits rôles devant les caméras de réalisateurs prestigieux : Sidney Lumet dans Le Prince de New York (1981), Milos Forman dans le cultissime Amadeus (1984) et Alan J. Pakula dans le thriller L'Affaire Pélican (1993). Malgré ses diverses contributions au profit de metteurs en scène de premier plan, l'actrice demeure inconnue du grand public.

Il faut attendre 1998 pour que Cynthia Nixon explose complètement. L'actrice décroche le rôle de Miranda Hobbes dans la série phénomène de HBO : Sex & the City. De 1998 à 2004, aux côtés de Sarah Jessica Parker, Kim Cattrall et Kristin Davis, elle incarne une avocate brillante, sophistiquée et cynique qui ne croit pas aux vertus de l'amour. Ce rôle la propulse alors star de la petite lucarne.

Après un retour discret au cinéma en 2006 dans Little Manhattan de Mark Levin, elle reprend l'année suivante le rôle de Miranda dans Sex and the City - The Movie, l'adaptation cinématographique de la série du même nom dirigée par Michael Patrick King.