A principios de los años 2000, Hannah Gross tuvo un par de apariciones en filmes por los que no obtuvo créditos. También participó, protagonizó y fue directora de varias puestas en escena antes de debutar en la pantalla grande y coprotagonizar junto a Deragh Campbell el filme de drama I used to be darker (2013). Al año siguiente participó en la película navideña Christmas, again (2014), donde realizó el papel de Lydia Gross. Posteriormente participó en los cortometrajes Take what you can carry (2015), Little cabbage (2015), Dramatic relationships (2016) y en los largometrajes Maldito cielo (2015), Unless (2016), Marjorie Prime (2017) y The mountain (2018). Desde el 2017 forma parte del elenco principal del thriller original de Netflix Mindhunter, donde interpreta el papel de Debbie Mitford. Al año sifguiente se unió al elenco de la segunda temporada de The sinner, con el personaje de Marin, y protagonizó la serie Deadwax.