Após o sucesso de Ruthless People, Bill Pullman teve uma carreira prolífera no cinema durante os anos 1980 e 1990 com papéis de destaque em filmes como Spaceballs (1987), uma paródia dos filmes Star Wars realizada por Mel Brooks; The Serpent and the Rainbow (1988), um filme de terror realizado por Wes Craven onde teve o seu primeiro papel de protagonista; A League of Their Own (1992) uma comédia dramática realizada por Penny Marshall e com Tom Hanks, Geena Davis e Madonna no elenco; Malice (1993), um thriller que protagonizou em conjunto com Nicole Kidman e Alec Baldwin; Casper (1995), um filme infantil onde contracenou com Christina Ricci e While You Were Sleeping (1995), uma comédia romântica protagonizada por ele e Sandra Bullock.

No entanto, o maior sucesso da sua carreira surgiu em 1996 com o filme Independence Day, protagonizado por Will Smith e onde interpretou o papel do presidente dos Estados Unidos, Thomas J. Withmore. Independence Day segue a história de uma invasão de extraterrestres ao planeta Terra e como os seus habitantes lutam contra eles. O filme foi o mais rentável de 1996 e o discurso ao presidente interpretado por Bill Pullman tornou-se num dos mais famosos da história do cinema e uma referência da cultura popular.^[6] O ator retomou o papel em 2016 na sequela, Independence Day: Resurgence e em 2021, quando recreou o seu famoso discurso no anúncio da Budweiser que foi transmitido durante o Super Bowl.^[7][8]

No ano seguinte, Bill Pullman protagonizou o filme Lost Highway do realizador David Lynch. No filme, o ator interpreta o papel de Fred Madison, um saxofonista que é preso depois de ser incriminado pelo homicídio da mulher, interpretada por Patricia Arquette. O filme recebeu críticas mistas e foi um desastre de bilheteira quando foi lançado, mas desde então tornou-se num filme de culto.^[9] Em 1998, interpretou o papel de Daryl Zero em Zero Effect, escrito e realizado por Jake Kasdan. O filme é uma reinterpretação moderna de A Scandal in Bohemia de Arthur Conan Doyle, onde Bill Pullman interpreta uma versão de Sherlock Holmes e Ben Stiller uma versão de Dr. Watson.^[10] Antes de a década terminar, o ator protagonizou Lake Placid, um filme de comédia e terror do realizador Steve Miner; e fez a voz de Captain Joseph Korso em Titan AE.

Na década de 2000, destaca-se sobretudo o seu trabalho no teatro. Entre fevereiro e setembro de 2002, Bill Pullman protagonizou The Goat, or Who is Sylvia de Edward Albee na Broadway, sendo o primeiro ator a interpretar o papel de Martin Gray. A peça venceu o prémio de Melhor Nova Peça nos Tony Awards e nos Drama Desk Awards e o prémio Pulitzer de Teatro.^[11] Bill foi nomeado para os Drama Desk Awards na categoria de Melhor Ator numa Peça por este papel.^[12]

Em 2006, protagonizou a peça The Subject Was Roses no Kennedy Center.^[13] No ano seguinte, escreveu e encenou a peça Expedition 6 sobre o acidente com o vaivém espacial Columbia, que explodiu na entrada na atmosfera e levou a uma pausa do programa espacial dos EUA. A peça estreou no Magic Theater de São Francisco em setembro de 2007.^[14] Ainda nesse ano, protagonizou a peça Peter and Jerry no Second Stage Theatre em Nova Iorque, que lhe valeu uma segunda nomeação de Melhor Ator numa Peça nos Drama Desk Awards.^[15] Em 2009, protagonizou com Julia Stiles a peça Oleanna, escrita por David Mamet. A peça estreou em Los Angeles e foi transferida para o John Golden Theatre na Broadway.^[16]

Em 2008, Bill regressou à televisão no papel de Kurt Moss, um ex-namorado da personagem de Mariska Hargitay em Law & Order: SVU.

Nesta década, no cinema destacam-se os seus papéis secundários em filmes como Igby Goes Down (2002), The Grudge (2004), Scary Movie 4 (2006), Bottle Shock (2008) e Phoebe in Wonderland (2008).

Em 2011, Bill interpretou o papel de Oswald Danes, um pedófilo e assassino de crianças em Torchwood: Miracle Day, a quarta temporada da série de ficção científica da BBC, Torchwood (um spin-off de Doctor Who). O seu desempenho foi bastante elogiado e valeu-lhe uma nomeação para os Saturn Awards na categoria de Melhor Ator Secundário em Televisão.^[17]

Entre 2012 e 2013, o ator voltou a interpretar o papel de um presidente dos Estados Unidos, mas desta vez numa série de comédia: 1600 Penn. A série foi arrasada pela crítica e cancelada após 13 episódios.^[18]

No ano seguinte, Bill interpretou o papel de Brian Plummer em The Equalizer, protagonizado por Denzel Washington. O ator voltou a interpretar este papel na sequela, The Equalizer 2 (2018). Em 2015, interpretou o papel de Krueger na comédia American Ultra, protagonizada por Jesse Eisenberg e Kristen Stewart.

Em 2017, estreou The Sinner, uma série antológica de suspense e psicológica transmitida pelo canal USA. A série só deveria ter uma temporada, mas o seu sucesso levou a que fosse renovada e a personagem de Harry Ambrose (interpretada por Bill Pullman) foi a única que participou na totalidade das suas quatro temporadas. The Sinner recebeu críticas bastante positivas, tendo sido nomeada para o Golden Globe de Melhor Série Limitada em 2018. Bill Pullman recebeu nomeações para os Screen Actor's Guild Awards, Critics' Choice Awards e Saturn Awards pelo seu papel nesta série.^[19] The Sinner foi cancelada em 2021, após quatro temporadas.^[20]

Ainda em 2017, Bill protagonizou o western da A24, The Ballad of Lefty Brown, onde contracenou com Peter Fonda e Jim Caviezel; interpretou ainda o papel de Jack Kramer no filme Battle of the Sexes, protagonizado por Emma Stone e Steve Carell.

Em 2019, interpretou o papel de Joe Keller na peça All My Sons, que foi apresentada no teatro Old Vic no West End de Londres. A peça, que contou com Sally Field, Jenna Coleman e Colin Morgan no elenco, foi bastante elogiada pela crítica.^[21] Três anos mais tarde, Bill regressou a Londres com Mad House, uma peça original escrita por Theresa Rebeck e apresentada no The Ambassators Theathre.^[22]

Em 2021, Bill interpretou o papel de David Mahoney na minissérie Halston, transmitida pela Netflix e protagonizada por Ewan McGregor. Em 2023, foi bastante elogiado pela crítica pelo seu papel de Alex Murdaugh na minissérie Murdaugh Murders, que dramatiza o homicídio de Maggie e Paul Murdaugh, a mulher e filho de Alex Murdaugh, na Carolina do Sul. Este papel valeu a Bill Pullman uma nomeação para os Satellite Awards.^[23]

Em setembro de 2024, foi anunciado que Bill Pullman seria um dos protagonistas da série de ficção científica da Netflix, The Boroughs, criada pelos The Duffer Brothers.^[24]