Su primer papel en Hollywood fue como una diplomática británica en la ganadora del Premio Oscar El jardinero fiel en 2005, aunque uno de sus papeles más relevantes fue en la comedia de 2002 Bend It Like Beckham y su actuación en The Good Wife.

Trabajó en la serie de televisión de la BBC Life on Mars y en 2007, Panjabi apareció con Angelina Jolie en la adaptación cinematográfica de A Mighty Heart, un libro de Mariane Pearl, la viuda del periodista Daniel Pearl, como la antigua reportera de The Wall Street Journal Asra Nomani.

Su actuación le valió el Trofeo Chopard a la mejor actriz revelación en el Festival Internacional de Cine de Cannes.

Entre sus papeles más conocidos está la interpretación de Kalinda Sharma, una investigadora privada, en la serie televisiva The Good Wife, por el que ganó el Primetime Emmy a la mejor actriz de reparto - Serie dramática en 2010, y por la que fue nominada al Emmy tres veces seguidas y una nominación al Globo de Oro.

[3]​ Panjabi también ha prestado la voz a varios personajes en el programa de televisión infantil Postaman Pat.