Edición de películas
Mastrantonio apareció por primera vez en la pantalla en Scarface (1983), de Brian De Palma, como Gina, hermana del Tony Montana de Al Pacino. Alcanzó la fama por su papel nominado al Oscar y al Globo de Oro en El color del dinero (1986) junto a Paul Newman y Tom Cruise.
Otros papeles destacados son Slam Dance (1987), junto a Tom Hulce, y The January Man (1989) con Kevin Kline. También protagonizó la película de ciencia ficción El abismo (1989), del escritor y director James Cameron, con Ed Harris. Interpretó a Maid Marian en la película de 1991 Robin Hood: Príncipe de los ladrones, junto a Kevin Costner. Interpretó a la hija abogada del personaje de Gene Hackman en Class Action, coprotagonizó el thriller de 1992 Consenting Adults, e interpretó al capitán de un barco pesquero en The Perfect Storm (2000).
EstadioEdit
Mastrantonio ha actuado en Broadway en varios musicales, como West Side Story, Copperfield, The Human Comedy y la reposición de 2002 de Man of La Mancha, en la que interpretó a Aldonza/Dulcinea junto a Brian Stokes Mitchell. Ha participado en las producciones del Festival Shakespeare de Nueva York de Enrique V, Medida por medida y Noche de Reyes. Sus actuaciones en los escenarios de Nueva York le han valido una nominación a los premios Tony y dos nominaciones a los premios Drama Desk.
También protagonizó Grand Hotel en el Donmar Warehouse del West End de Londres. En 1984, Mastrantonio participó en una representación benéfica de Un cuento de Navidad con Helen Hayes, Raul Julia, Harold Scott, F. MacIntyre Dixon y Len Cariou en el Symphony Space de Nueva York. Sobre el escenario, Mastrantonio protagonizó recientemente A View from the Bridge como Beatrice, junto a Ken Stott y Allan Corduner en el Duke of York’s Theatre de Londres.
TelevisiónEdit
En 1991, Mastrantonio apareció como Yelena en una producción de Tío Vania en la serie antológica británica Performance.
Tuvo un papel recurrente durante las temporadas 4-5 (2005-2007) del drama televisivo Without a Trace.
Mastrantonio interpretó a la comandante de la unidad Capt. Zoe Callas en la novena temporada (2010) de Law & Order: Criminal Intent.
A partir del último episodio de la primera temporada (2012), Mastrantonio tuvo un papel recurrente en Grimm, interpretando a Kelly Burkhardt, madre del protagonista de la serie.
En 2013, actuó como invitada en Blue Bloods en el episodio «Inside Jobs». Tuvo un papel recurrente en el programa Hostages de 2013-14, interpretando a la primera dama Mary Kincaid.
En 2015 fue elegida para un papel principal en Limitless en la CBS, interpretando a la agente especial del FBI a cargo Nasreen «Naz» Pouran, que se estrenó el 22 de septiembre de 2015.
En 2017 interpretó como invitada a Marion James, subdirectora de la Agencia Central de Inteligencia, en tres episodios de Marvel’s The Punisher en Netflix.
De 2018 a 2020, protagonizó el papel de Madeline Burke en el drama de acción de la NBC Blindspot.