El primer papel importante de Spencer fue interpretar a Rebecca» Becca » Tyree en la telenovela de ABC All My Children desde el 3 de junio de 1999 hasta el 10 de abril de 2001. Más tarde protagonizó la serie original de Lifetime Television Angela Eyes, que fue cancelada el 1 de diciembre de 2006. En los años siguientes, comenzó a interpretar papeles de invitado en varias series de televisión, incluyendo CSI: Crime Scene Investigation, How I Met Your Mother, Private Practice y Castle.,
Spencer interpretó el papel de un entusiasta de los blogs en los anuncios de Twix, y retrató a Miss Farrell, un interés amoroso de Don Draper, en Mad Men de AMC en 2009. A principios de 2011, consiguió el papel principal en el piloto Dramático de ABC Grace de Krista Vernoff. Spencer había interpretado previamente al personaje principal en otro piloto Dramático de Krista Vernoff, presentando a Lennie Rose, en 2005. Spencer apareció en un papel recurrente como el Dr., Erin Jameson en la serie de TNT Hawthorne en 2010, y desde 2011 ha tenido un papel recurrente como Dana «Scottie» Scott, El viejo rival del personaje de Gabriel Macht, en el USA Network legal drama Suits.
Spencer en la 73ª edición anual de los Premios Peabody
Spencer ha aparecido en varias películas, incluyendo In My Sleep (2010), Cowboys & Aliens (2011), esto significa War (2012), y chasing Mavericks (2012), y interpretó el papel principal en The Haunting in Connecticut 2: Ghosts of Georgia (2013)., Apareció en la película de aventuras de fantasía Oz The Great And Powerful, dirigida por Sam Raimi, en 2013.
de 2013 a 2017, Spencer interpretó a Amantha Holden en la serie dramática original Rectify de Sundance Channel. Fue nominada para los Critics ‘ Choice Television Award a la Mejor Actriz de reparto en una serie dramática y Satellite Award A La Mejor Actriz – serie de televisión Drama por su actuación en la serie.,
Spencer interpretó el papel principal en el drama independiente A Beautiful Now, escrito por Daniela Amavia, sobre una bailarina apasionada que se encuentra considerando un acto extremo cuando llega a una encrucijada en su vida. Fue nominada al Premio del Festival Internacional de cine de Madrid a la Mejor Actriz por su actuación en cine. En 2014, Spencer apareció junto a Jason Bateman en la película de comedia dramática This Is Where I Leave You, una comedia dirigida por Shawn Levy, y protagonizó con John Travolta y Christopher Plummer en la película de suspenso criminal The Forger.,
en octubre de 2014, Spencer se unió al elenco de la segunda temporada de la serie de drama criminal de HBO, True Detective.
en 2016, Spencer fue elegida como el personaje principal Lucy Preston en la serie de NBC Timeless, donde interpreta a un profesor de historia enviado en misiones de viaje en el tiempo a diferentes épocas en un esfuerzo por evitar que otros interrumpan la corriente temporal relacionada con los Estados Unidos. Una revisión de la serie en Variety llamó a Spencer «prodigiosamente talentosa» y que interpretó a «un personaje cuyos principales rasgos de personalidad son «inteligentes» y «valientes».,'»Una revisión de Deadline Hollywood dijo que el espectáculo fue un desperdicio de los talentos de Spencer. El New York Times escribió que «Abigail Spencer es buena como Lucy, la historiadora valiente que es el personaje central de la serie. Timeless fue renovado por NBC el 12 de mayo de 2017. La cadena había cancelado la serie días antes, pero revocó la decisión. La serie terminó después de dos temporadas.