1980’erneRediger
Birch optrådte i reklamer i slutningen af 1980’erne for Burger King, California Raisins, Quaker Oats (sammen med Wilford Brimley) og Vlasic Pickles. Hun fik sin filmdebut i science fiction-komedien Purple People Eater fra 1988, for hvilken hun vandt en Youth In Film Award og en Young Artist Award i kategorien “Best Young Actress Under Nine Years of Age”. I 1988 medvirkede hun også som gæstestjerne i et afsnit af Doogie Howser, M.D., og hun fik rollen som Molly i NBC-tv-serien Day By Day, hvor hun blev krediteret som “Thora”. Serien blev sendt i to sæsoner på NBC og indbragte hende to Young Artist Award-nomineringer.
1990’erneRediger
I 1990 havde Birch en af hovedrollerne i sitcom’en Parenthood, der var baseret på filmen af samme navn fra 1989. Den blev sendt på NBC og blev aflyst efter én sæson. Året efter spillede hun hovedrollen i dramaet Paradise, med Don Johnson, Melanie Griffith og Elijah Wood. Hun vandt sin rolle over mere end 4.000 andre unge håbefulde unge, der gik til audition til rollen. Roger Ebert mente, at hun spillede sin rolle med “stærk, enkel charme”, og senere fik hun endnu en Young Artist Award-nominering. I resten af 1990’erne fortsatte Birch med at finde stabil anerkendelse som børne- og teenageskuespillerinde gennem hovedroller i adskillige komedie- og familiefilm.
I 1991 spillede hun sammen med Ethan Embry hovedrollen i komedien All I Want for Christmas som en pige, der planlægger at få sine fraskilte forældre sammen igen til jul. Filmen fik middelmådige anmeldelser og moderat opmærksomhed fra publikum ved sin biografpremiere, men udviklede i de efterfølgende år en følgeskare på tv og på hjemmevideo. I 1992 spillede hun Jack Ryans (Harrison Ford) datter i spion-thrilleren Patriot Games, som blev en kommerciel succes og indtjente 178 millioner dollars ved de internationale biografer.
I en alder af 11 år medvirkede Birch i fantasy-komedien Hocus Pocus (1993), over for Bette Midler, Kathy Najimy og Sarah Jessica Parker. I filmen spillede hun lillesøsteren til en teenagedreng, der ved et uheld genopliver en skurkagtig trio af hekse. Hocus Pocus fik en gennemsnitlig bedømmelse af anmelderne og indtjente beskedne 39 millioner dollars i USA, men blev en kultfilm på grund af et stærkt salg af dvd’er og en stor tv-tilslutning. I komedien Monkey Trouble fra 1994 spillede Birch rollen som en pige, der adopterer en kapucinerabe, som er trænet til at stjæle lommer og begå indbrud i huse. Filmen fik en blandet modtagelse, men Marjorie Baumgarten bemærkede i Austin Chronicle, at hendes “nuancerede præstation (en sjældenhed blandt børneskuespillere) uden tvivl giver Monkey Trouble sit realistiske præg”. I 1994 gentog hun sin rolle i Patriot Games i efterfølgeren Clear and Present Danger, som indtjente over 215 millioner dollars på verdensplan.
I 1995 fik Birch rollen som den yngre version af Melanie Griffiths karakter i filmen Now and Then, der er en film om at blive voksen, og som også havde Gaby Hoffmann, Christina Ricci, Demi Moore og Rosie O’Donnell i hovedrollerne. Filmen blev udgivet til overvejende middelmådige anmeldelser, men viste sig at blive en indtægt. Hun fik en hovedrolle i eventyrdramaet Alaska (1996) over for Vincent Kartheiser, hvor hun portrætterede to søskende, der søger gennem Alaskas vildmark efter deres forsvundne far (Dirk Benedict). I de næste to år spillede hun ikke med i en film, men havde gæstestar i Promised Land og Touched by an Angel. Hun indspillede efterfølgende tv-filmen Night Ride Home og en ukrediteret rolle i Anywhere but Here, som begge blev udgivet i 1999.
I 1999 medvirkede hun også i det Sam Mendes-instruerede drama American Beauty som Jane Burnham, den usikre datter til Kevin Spaceys karakter. Rolling Stone følte Birch ” med voksen udstråling” i sin rolle, for hvilken hun senere modtog en BAFTA Award-nominering for bedste kvindelige birolle. Filmen modtog en Oscar for bedste film og indtjente over 356 millioner dollars på verdensplan og blev den største kommercielle succes i Birchs karriere til dato.
2000’erneRediger
Efter sin succes med American Beauty medvirkede hun i to film, der blev udgivet i 2000. Det lille drama The Smokers fik en straight-to-DVD-udgivelse i USA og gik stort set ubemærket hen, men Birch blev kaldt “a scene-stealer” i sin birolle af The Hollywood Reporter. Hendes anden film i år var den dårligt modtagne Dungeons & Dragons, en fantasyfilm baseret på rollespillet af samme navn. I 2001 spillede hun sammen med Keira Knightley hovedrollen i gyserfilmen The Hole, hvor hendes hovedrolle og meget omtalte syvcifrede løn blev tilskrevet hendes medvirken i American Beauty. Filmen blev udgivet i biograferne i Storbritannien og på dvd i USA og fik blandede anmeldelser. Derek Elley skrev for Variety Magazine, at Birch gav “en effektivt uhyggelig hovedrolle” i filmen, som han kaldte “et kluntet britisk forsøg på at fusionere genrerne psykothriller og teenagefilm”.
Birch var hovedrolleindehaver i den sorte komedie Ghost World fra 2001, instrueret af Terry Zwigoff og med Scarlett Johansson, Steve Buscemi og Brad Renfro i hovedrollerne. Filmen, der fokuserer på livet for to teenagere udenforstående (Birch og Johansson) i en unavngiven amerikansk by, blev udgivet i en specialudgave i biograferne og fik en meget positiv kritisk modtagelse. James Berardinelli fandt, at Birchs rolle var hendes “første effektivt udviklede rolle” siden American Beauty og fremhævede skuespillerinden positivt for den “finurlige underliggende følelse af melankoli og ennui” i hendes portrættering. Hun opnåede en Golden Globe-nominering for bedste skuespillerinde – musical eller komedie.
Birch optrådte som titelpersonen i den biografiske tv-film Homeless to Harvard: The Liz Murray Story (2003), hvor hun spiller en ung kvinde, der efter at være blevet hjemløs som 15-årig på grund af personlige tragedier, begynder sit arbejde for at afslutte sine studier. Hun høstede ros for sin rolle og modtog en Emmy-nominering. Efter sine professionelle præstationer i 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne faldt Birchs profil betydeligt i det næste årti, da hun havde mere sjældne skuespiloptrædener i meget mindre produktioner. I et interview i januar 2014 reflekterede hun over sit karriereforløb de efterfølgende år og tilskrev det, at hun ikke “tog” de krav, som filmindustrien stillede til hende, og valgte at “bevare en stærk identitet og forfølge ting, der var lidt mere tankevækkende, og jeg gætter på, at ingen virkelig ønskede, at kvinder skulle gøre det på det tidspunkt”.
Birch optrådte i flere musikvideoer, herunder Mobys “We Are All Made of Stars” og Limp Bizkits “Eat You Alive”, som også havde Bill Paxton med.
Hun spillede en birolle i Silver City, en politisk satire skrevet og instrueret af John Sayles, som havde premiere på filmfestivalen i Cannes i 2004. I 2006 havde Birch hovedrollen i gyser-thrilleren Dark Corners, hvor hun portrætterede en urolig ung kvinde, der en dag vågner op som en anden person – en person, der bliver forfulgt af væsner. Filmen fik ikke nogen biografpremiere, men blev i stedet sendt direkte på dvd. Den fik en dårlig bedømmelse af anmelderne, men Birch blev anset for at være “overbevisende som de to halvdele af denne splittede personlighed”. Hun fulgte efter med den kvindelige hovedrolle i slasherfilmen Train fra 2008, som handlede om en gruppe amerikanske collegeatleter, der bliver forfulgt og dræbt i et tog i Østeuropa. Filmen fik en dvd-udgivelse og fik en middelmådig samlet modtagelse, hvor kritikerne sammenlignede den ugunstigt med Hostel og Turistas.
Hun medvirkede i den psykologiske thriller Deadline fra 2009 med Brittany Murphy i hovedrollen. I 2009 spillede hun også hovedrollen i den uafhængige krimifilm Winter of Frozen Dreams, som Barbara Hoffman, en biokemistuderende og prostitueret fra Wisconsin, der blev dømt for mord i den første tv-transmitterede mordsag nogensinde. Filmen havde en begrænset biografudgivelse og fik gennemsnitlige anmeldelser.
2010sRediger
I 2010 påtog Birch sig rollen som Sidney Bloom i tv-filmen The Pregnancy Pact, som var baseret på mediecirkusset i 2008 omkring teenagere i Gloucester, Massachusetts, som angiveligt blev enige om at føde og opdrage deres børn i fællesskab. Lifetime-filmen blev positivt modtaget af kritikerne og blev set af 5,9 millioner seere. Senere i 2010 blev Birch castet og var planlagt til at få sin amerikanske scenedebut i off Broadway-revival af Dracula, men blev fyret på grund af sin fars opførsel, hendes manager på det tidspunkt, som fysisk truede et af showets castmedlemmer.
Birch medvirkede i 2012 i den uafhængige dramedie Petunia, hvor hun spillede rollen som Vivian Petunia. Hun er krediteret som medproducent i filmen, som på samme tid skildrer Petunia-familiens liv og romantiske forhold. Birch anså filmen for at være “intim” og “en meget moderne fortælling” og beskrev den som “en smule anderledes end din standard sommerkost”. Filmen blev distribueret til en meget begrænset udgivelse i USA og havde premiere på Cinema Village i New York City og fik blandede anmeldelser.
Efter at have helliget sig akademiske sysler vendte Birch tilbage til sin skuespillerkarriere i 2015 med en tilbagevendende rolle som softwareingeniør Morgan i Carlton Cuse-serien Colony.
Efter serien spillede Birch først med i den uafhængige film The Etruscan Smile sammen med Brian Cox, som blev optaget i San Francisco og Skotland. Derefter tog hun til Kentucky for at optage thrilleren Above Suspicion, der er baseret på bogen af samme navn af New York Times-klummeskribenten Joe Sharkey og med Jack Huston, Emilia Clarke og Johnny Knoxville i hovedrollerne. I 2018 spillede Birch hovedrollen i den politiske thriller Affairs of State sammen med David Corenswet, Mimi Rogers og Adrian Grenier. Filmen blev optaget i Norfolk, Virginia. Også samme år spillede hun hovedrollen i den romantiske komedie The Competition, instrueret af Harvey Lowry, som blev optaget i Portland. Birch var også medproducent af filmen, som blev distribueret af VMI Worldwide. Senest har Birch medvirket i Plan B- og A24-filmen The Last Black Man in San Francisco, over for Jimmie Fails, Jonathan Majors og Danny Glover. Birch spillede også hovedrollen i den uafhængige film Thirteen Minutes, som forventes at blive udgivet i 2021.