Holliday Grainger protagonizó varias producciones en televisión y cine. Protagonizó Mi prima Raquel junto a Rachel Weisz y Sam Claflin. La película, basada en la clásica novela de Daphne du Maurier, fue dirigida por Roger Michell. Holliday también ocupó un lugar destacado en la televisión, en primer lugar, en la adaptación de la BBC de Cormoran Strike de J.K. Rowling. Junto a Tom Burke, el dúo protagoniza a investigadores privados que buscan la respuesta detrás del misterioso suicidio de una modelo londinense. Esta miniserie, de 7 temporadas, transcurre en Texas (USA) y se estrenó en 2017.

Holliday también participó en la serie de antología de ciencia ficción Philip K. Dick's Electric Dreams en la que protagonizó el episodio independiente The Hoodmaker junto a Richard Madden. En 2017 se estrenó Tulip Fever en la que Holliday interpreta a "Maria" junto a Dane DeHaan, Alicia Vikander y Jack O'Connell y, también protagonizó, junto a Jack O'Connell y Daniel Kaluuya, el cortometraje Robot & Scarecrow de Kibwe Tavares.

En televisión ha participado en la miniserie Patrick Melrose con Benedict Cumberbatch. El drama se basa en las novelas de Edward St. Aubyn. También ha protagonizado, junto a Lily Collins, el drama de Anthony Lucero, Halo of Stars, actualmente en postproducción.

En 2016, Holliday participó en La hora decisiva, de Craig Gillespie en la que interpretó a la protagonista, junto a Chris Pine y Casey Affleck. Es la adaptación de Disney del libro de Casey Sherman y Michael J. Tougias basada en una historia real sobre la tentativa de rescate de un guardacostas en los años 50. En 2016, también ganó un premio BAFTA con el cortometraje Hogar, de Daniel Mulloy que destaca la crisis de los refugiados. Hogar se estrenó el 20 de junio de 2016, el Día Mundial del Refugiado, y cuenta con el apoyo de la Agencia de Refugiados de la ONU.

En 2015, Holliday protagonizó la tan esperada adaptación de la BBC de El amante de Lady Chatterley. Abordó el papel de "Lady Chatterley". En 2015, también apareció en la aclamada adaptación de Cenicienta como una de las hermanastras. La película, también protagonizada por Lily James, Cate Blanchett y Richard Madden, es un relato visualmente impresionante que fue un gran éxito de taquilla en todo el mundo.

En 2014, Holliday participó en la película The Riot Club, de Lone Scherfig, basada en la obra de teatro de Londres Posh, junto a Sam Claflin, Max Irons y Douglas Booth. La película trata de unos estudiantes en el infame Riot Club de la Universidad de Oxford. Holliday también aparece en uno de los papeles principales, "Bonnie Parker", en la miniserie Bonnie & Clyde junto a Emile Hirsch. La serie se emitió simultáneamente, en diciembre de 2013, en tres canales estadounidenses (Lifetime / History, A&E) con gran aclamación crítica y se emitió en Reino Unido en febrero de 2014. Las audiencias de televisión también vieron a Holliday en la tercera temporada de la exitosa serie de Sky Atlantic, Los Borgia, cuando regresó a su papel principal de "Lucrezia Borgia" junto a Jeremy Irons.

Los créditos cinematográficos anteriores han visto a Holliday en el papel central de "Estella" en la aclamada adaptación cinematográfica del clásico de Charles Dickens Grandes esperanzas, dirigida por Mike Newell. Antes de esto, Holliday participó, junto a un elenco estelar, que incluía a Jude Law y Keira Knightley, en Anna Karenina. También interpretó el papel de "Suzanne Rousett" en Bel Ami, un drama cinematográfico en el que actuó junto a Robert Pattinson.

Holliday captó la atención por primera vez cuando interpretó el papel de "Emily" en The Scouting Book for Boys, la película tuvo gran aclamación crítica en el Festival de Cine de Londres. En el mismo año, interpretó el papel de "Mollie" en Away Days de Pat Holden. También participó en una adaptación muy alabada de Jane Eyre de Charlotte Brontë, junto a Dame Judi Dench y Michael Fassbender.

La cartera televisiva de Holliday incluye el drama de Five Daughters de la BBC, así como su papel de "Sharon Bilkin" en Above Suspicion. También interpretó a "Dirty Debbie" en la prueba de la BBC Three, Stanley Park y, también asumió papeles en Demons (ITV), Merlín (BBC), Robin Hood (BBC), Any Human Heart (Channel 4) y Blue Murder (ITV). Holliday también fue reconocida por su personaje de "Charlie Cooper" en una adaptación televisiva única de la novela de Kate Long The Bad Mother's Handbook, Hollyday fue protagonista junto a Catherine Tate y Robert Pattinson en este popular drama de comedia.

Holliday debutó en el teatro con la obra de Dimetos junto a Jonathan Pryce, Anne Reid y Alex Lanipekun. Holliday interpretó el papel de "Lydia" en la historia de Athol Fugard en 1975 sobre un ingeniero solitario que albergaba una pasión destructiva por su sobrina. Más recientemente, en el teatro, Holliday ha interpretado la obra de The Three Sisters en el Southwark Playhouse.