Ellen Pompeo commence sa carrière d'actrice au cinéma en jouant dans quelques films indépendants, tels Coming Soon (1999) et In the Weeds (2000).
Elle s'est véritablement taillée une place dans l'industrie cinématographique grâce à son premier rôle dans un film majeur hollywoodien, Moonlight Mile, réalisé par Brad Silberling en 2002.Elle y jouait aux côtés des acteurs : Susan Sarandon, Dustin Hoffman et Jake Gyllenhaal. Elle reçut d'excellentes critiques pour son interprétation de femme troublée dans le film.
Parmi ses films les plus populaires figurent Arrête-moi si tu peux (Catch Me If You Can) de Steven Spielberg (aux côtés de Leonardo DiCaprio) et Old School (aux côtés de Luke Wilson, Vince Vaughn et Will Ferrell).
Ellen Pompeo a fait de nombreuses apparitions télévisées dans diverses séries américaines depuis 1996, par exemple New York, police judiciaire, The Job et Friends. Elle est actuellement la vedette de la série Grey's Anatomy, qui a vu le jour en 2004 et qui est présentée sur les ondes de ABC. Elle y joue le rôle de Meredith Grey, une interne en chirurgie au Seattle Grace Hospital qui finit par mêler sa vie personnelle à sa vie professionnelle.