Ramírez teki ensiesiintymisensä Broadwaylla, jossa hän näytteli Wahzinakia Paul Simonin ja Derek Walcottin näytelmässä The Capeman vuonna 1998. Muita musikaaleja, joissa hän on esiintynyt, ovat olleet muun muassa A Class Act ja Dreamgirls, molemmat vuodelta 2001.
Ramírez liittyi ABC:nGreyn anatomian näyttelijäkaartiin sarjan toisella tuotantokaudella tohtori Callie Torresina. Sarjan kolmannella kaudella hänen hahmostaan tehtiin vakituinen. Eräässä The Oprah Winfrey Show’nGreyn anatomiaan keskittyneessä jaksossa Ramírez paljasti ABC:n pitäneen hänen esiintymisestään Spamalot-musikaalissa ja tarjonneen hänelle roolia mihin tahansa hänen haluamaansa ABC:n sarjaan.[1] Ramírez valitsi Greyn anatomian, koska piti sarjasta. Vuosina 2021–2022 Ramírez nähtiin And Just Like That... -sarjassa.