בשנים 2006–2007 שיחקה בשלושה פרקים בסדרה "הסופרנוס" ברשת HBO, בתור קתרין סקרימוני.
ב-2011 השתתפה בפרק אחד בסדרה הקומית "רוק 30" ברשת NBC, בתור אבי פלין.
ב-2012 הייתה מועמדת לפרס טוני לשחקנית הטובה ביותר במחזמר על תפקידה ב-"Once" בו הופיעה בשנים 2011–2013. אולם על ביצועיה ב-"Once" היא זכתה (לצד עמיתה, סטיב קאזי) בפרס גראמי לאלבום המוזיקלי הטוב ביותר לשנת 2013.
בשנים 2013–2014 שיחקה בסיטקום "איך פגשתי את אמא" ברשת CBS, בשתי עונותיה האחרונות, בתור טרייסי מקונל/האמא.
בשנת 2014–2015 כיכבה בתפקיד זלדה וסקו בסדרה "A to Z" ברשת NBC, לצד בן פלדמן, בעונתה היחידה של הסדרה.
ב-2015 שיחקה בעונה השנייה של הסדרה "פארגו" ברשת FX, בתור בטסי סולברסון, אשת השוטר לו סולברסון. בנוסף בשנה זו, דיבבה בפרק אחד בסדרת האנימציה "איש משפחה" ברשת FOX.
בשנים 2015–2016 גילמה את אלי, העוזרת של ניוטון, במחזמר "Lazarus" שכתבו דייוויד בואי ואנדה וולש.
בשנת 2015 שיחקה בתפקיד ראשי בסרט הקומדיה הרומנטית "It Had to Be You".
ב-2017 שיחקה בפרק הראשון של העונה הרביעית של הסדרה "מראה שחורה" לאחר המעבר אל Netflix, בתור נאנט קול. בספטמבר 2024, פורסם כי מיליאוטי תשוב לסדרה לפרק המשך ל-"USS Callister".[1]
מאז ספטמבר 2024, מיליאוטי מככבת בתפקיד סופיה פלקונה בסדרה "הפינגווין" של HBO. מיליאוטי מגלמת את סופיה פלקונה, שהשתחררה ממוסד המוסד הפסיכיאטרי ארקהם לאחר 10 שנים בכלא, בהן הואשמה ברצח סדרתי. מיליאוטי ציינה כי זהו אחד התפקידים המאתגרים ביותר שלה, והיא שיתפה פעולה עם מאמנת תנועה כדי להבין איך השנים בארקהם השפיעו על גופה של סופיה.[2]