Habiendo actuado en varias películas a lo largo de los años, sus cintas más exitosas comercialmente son What Women Want (2000), Anger Management (2003) y Wild Hogs (2007).
[10] Fue ahí donde quedó cautivada por los espectáculos de Broadway a los cuales sus padres, aficionados al teatro, la llevaban, y se interesó por la actuación como profesión.
En la Preparatoria Andries Hudde Júnior, interpretó a Hedy LaRue en una producción escolar de How to Succeed in Business Without Really Trying.
[6] Su debut en el cine fue un pequeño papel con una sola frase en la comedia The Flamingo Kid en 1984, en el que interpreta a una camarera llamada Mandy.
En esta época, hizo su debut teatral en 1987 con la obra de off-Broadway Daughters, encarnando a Cetta.
este papel le ganó unas cuantas buenas críticas así como un Theatre World Award a la mejor actriz debutante.
Continuó hizo con otras obras como las de Beirut en 1987, Sharon and Billy en 1988 y What the Butler Saw en 1989.
También en 1989, hizo una aparición notable en la comedia de Sylvester Stallone Óscar (1991) y en el thriller erótico en Zandalee en Nicolas Cage.
Un portavoz de Price Waterhouse explicó que si tal evento hubiera ocurrido, "tenemos un acuerdo con la Academia por el cual uno de nosotros subiría al escenario, se presentaría y diría que el presentador se habría equivocado".
Tomei había ganado anteriormente el MTV Movie Award a la mejor actriz revelación por Mi primo Vinny.
Al siguiente año, Tomei hacía el papel de la periodista embarazada en The Paper, y volvería a aparecer con Downey en la comedia romática Solo tú (Only You).
[29] Matt Wolf de Variety escribió "Tomei ofrece una actuación agradable, si no tremendamente interesante".
También tuvo un papel secundario en la comedia romántica Siempre a tu lado (Someone Like You) protagonizado por Ashley Judd, Hugh Jackman y Greg Kinnear.
En 2001, apareció en la película independente In the Bedroom (En la habitación) de Todd Field junto a Tom Wilkinson y Sissy Spacek.
Variety escribió "Tomei está ganando en la que seguramente es su actuación más naturalista y no afectada"[31] mientras que el escritor The New York Times Stephen Holden dejaba escrito "la arruinada y triste Natalie de Tomei es fácilmente su mejor papel en la pantalla.
Al siguiente año, apareció en la cinta Alfie con Jude Law, basada en la película homónima de 1966.
[41] Tomei encarnó el papel de madre soltera que vuelve a la universidad en el film The Rewrite escrita y dirigida por Marc Lawrence.
[43] Ese mismo año trabajó en Broadway en la obra de Will Eno The Realistic Joneses junto a Tracy Letts, Michael C. Hall y Toni Collette.
[46] Tomei volvió a Broadway en la nueva versión de La rosa tatuada en el American Airlines Theatre.
Alexis Soloski de The Guardian escribió: "Producciones pasadas han sido protagonizadas por actores con mucha seriedad – Anna Magnani, Mercedes Ruehl, Maureen Stapleton – mujeres que puede haber dado a los chistes un lugar más importante para aterrizar.
Así, en 2009, Tomei estuvo en la posición número 18 de las 100 mujeres más sexis según la revista FHM.
[57] También se le ha relacionado sentimentalmente con artistas como Josh Radnor, Nicholas Carpenter, Lenny Kravitz, Christian Slater y Dana Ashbrook.