Mann comenzó su carrera a los 18 años, apareciendo en varios anuncios de televisión. En 1996, apareció en The Cable Guy, a la que siguieron actuaciones en Freaks & Geeks, George of The Jungle de Sam Weisman junto a Brendan Fraser, Big Daddy con Adam Sandler, Orange County junto a Jack Black y The 40-Year-Old Virgin con Steve Carell.
En 2007, Mann protagonizó junto a Seth Rogen y Paul Rudd la comedia de Judd Apatow Knocked Up, que recaudó más de 218 millones de dólares en todo el mundo. Su actuación le valió buenas críticas y una nominación a la «Mejor Actriz de Reparto» de la Asociación de Críticos de Cine de Chicago. La película ganó el premio People’s Choice Award a la «Comedia cinematográfica favorita», fue nombrada una de las «Diez mejores películas del año» por la AFI y recibió una nominación a la «Mejor comedia» de la Broadcast Film Critics Association Award.
En 2009, Mann se reunió con su coprotagonista de Big Daddy, Adam Sandler, y con el coprotagonista de Knocked Up, Seth Rogen, para Funny People, de Apatow. Esta película fue nombrada en muchas de las listas de los diez mejores del año, incluyendo The New Yorker y The New York Times. El escritor de Elle, Mickey Rapkin, dijo que «es la dueña de la segunda parte de Funny People, de 2009, donde su personaje hace lo más improbable que puede hacer una mujer en una película de un gran estudio: tiene una aventura con un ex novio por capricho». Ese mismo año, Mann también protagonizó la exitosa comedia de Burr Steers 17 Again junto a Zac Efron y Matthew Perry, que recaudó más de 125 millones de dólares en todo el mundo.
También se la vio en el éxito indie I Love You Phillip Morris junto a Jim Carrey y Ewan McGregor. Se estrenó en el Festival de Cine de Sundance de 2009, y en su lanzamiento recibió elogios de la crítica, incluyendo una nominación a la «Mejor comedia» para un premio de la Asociación de Críticos de Cine de la Radiodifusión de 2011. Mann también protagonizó junto a Elizabeth Banks la película ¿En qué estaba pensando?, basada en el libro de Barbara Davilman y Liz Dubelman, que se rodó en 2009 pero no llegó a estrenarse.
En 2011, Mann protagonizó junto a Ryan Reynolds y Jason Bateman la comedia de David Dobkin The Change-Up. También prestó su voz a «Linda», el personaje humano principal de la película de animación Río, de Carlos Saldanha, que recaudó más de 484 millones de dólares en todo el mundo y que también contó con las actuaciones vocales de Jamie Foxx y Anne Hathaway; así como a la serie de televisión animada de FOX Allen Gregory, de Jonah Hill, como el profesor de segundo grado del personaje del título.
Mann continuó su trabajo de interpretación de voz en 2012 con su papel en ParaNorman, una película de animación en 3D y stop-motion de Chris Butler y Sam Fell.
En diciembre de 2012, apareció junto a Paul Rudd en This Is 40, de Apatow, la secuela de Knocked Up. La película reunió al trío de la primera película, con Mann y Rudd retomando sus personajes. La secuela fue escrita y dirigida por Judd Apatow, e incluyó a las dos hijas de la pareja en el reparto. A diferencia de Knocked Up, This Is 40 se centraba en el personaje de Mann y su familia. Una de las primeras respuestas a la actuación de Mann por parte de la revista Elle afirma que «no sólo se lleva las escenas, sino que se roba el espectáculo». Mann fue nominada a Mejor Actriz de Comedia por la Asociación de Críticos de Cine por Esto es 40.
En 2013, Mann apareció en The Bling Ring, de Sofia Coppola, con Emma Watson. Inspirada en hechos reales, la película sigue a un grupo de adolescentes de Los Ángeles obsesionados con la fama que roban en las casas de los famosos siguiendo su paradero en Internet.
En 2014, narró «Women in Comedy», un episodio de la segunda temporada de Makers: Women Who Make America.
En 2018, Mann protagonizó el papel de una madre soltera en la comedia sexual Blockers y se reunió con Steve Carell en Welcome to Marwen.