Posey asistió a la Universidad Estatal de Nueva York en Purchase, donde estudió drama. Consiguió su primer descanso en la televisión con el papel de Tess Shelby en la telenovela As the World Turns.

El primer papel protagónico de Posey en un largometraje fue en el clásico de culto de Richard Linklater Rebeldes y confundidos (1993). En 1994, apareció en el cortometraje de Hal Hartley, Opera No. 1. A finales de la década de 1990, Posey coprotagonizó 32 películas independientes, lo que le valió el apodo de la "Reina de los indies". Entre estas películas se incluyen Personal Velocity, Basquiat, Clockwatchers, The Daytrippers, Party Girl, Henry Fool, y The House of Yes.

Posey ha coprotagonizado en las películas de Christopher Guest, incluyendo cinco de sus documentales falsos. Interpretó a la antagonista en Josie y las gatimelódicas (2000). De 2001 a 2002, apareció en un papel secundario en la comedia popular de NBC Will & Grace.

En 2006, Posey apareció en Supermán Regresa como Kitty Kowalski, la complice de Lex Luthor. Al año siguiente apareció en Sisters of Mercy, Las leyes de la atracción y Blade: Trinity.

Posey protagonizó la película  de Zoe Cassavetes Broken Broken (2007), proyectada en el Festival de Cine de Sundance de 2007, la película también fue nominada en la edición número 23 de los Independent Spirit Awards al Mejor Primer Guión, mientras que Posey fue nominada a la Mejor actriz.

En julio de 2014, Posey firmó para co-protagonizar el drama de misterio de Woody Allen Hombre Irracional con Joaquin Phoenix y Emma Stone. Cuatro años después, apareció en la nueva versión de la serie de televisión de 1965, Lost in Space (Perdidos en el espacio), como la Dr. Smith.