Comenzando con un papel en A World Apart en 1970, se mudó a una temporada de cinco años como Lenore Moore Curtin Delaney en la telenovela diurna Another World. Tomando el relevo de Judith Barcroft, Sullivan interpretó el papel de 1971 a 1976. Interpretó a la novia de Charlton Heston, Ann, un nuevo personaje escrito en la versión televisiva de la película Midway (1976). Luego interpretó al Dr. Elaina Marks junto a Bill Bixby en the Incredible Hulk pilot en 1977, e interpretó a Poker Alice junto a James Garner como Bret Maverick en The New Maverick al año siguiente. Sullivan también apareció en Barnaby Jones, episodio titulado «Final Judgement» (26/01/1978).

Interpretó el papel de Maggie Porter en el drama televisivo Rich Man, Poor Man Book II. Julie Farr en Having Babies de 1978 a 1979, y fue nominada para un Premio Emmy de Horario Estelar a la Mejor Actriz Principal en una Serie Dramática, que se convirtió en dos películas para televisión y más tarde en una serie semanal de corta duración en 1978. Durante una semana en 1977, fue panelista en Match Game, tanto en CBS como en sindicación. En 1980, apareció en la sitcom It’s a Living, interpretando a la camarera principal Lois Adams.En 1981, Sullivan ganó el papel de Maggie Gioberti en el drama de CBS Falcon Crest, reemplazando a Samantha Eggar, que había aparecido en el piloto. La serie se convirtió en un éxito y Maggie se convirtió en el papel más prominente de Sullivan hasta la fecha. Apareció en la serie de 1981 a 1989, tiempo durante el cual fue nominada a tres premios Digest de Telenovelas. En el momento en que Sullivan decidió dejar la serie en 1989, había aparecido en todos los episodios de la serie hasta esa fecha (207 de los 227 episodios producidos). Sullivan apareció en el primer episodio de la novena temporada, cuando su personaje se ahogó.

Siguiendo a Falcon Crest, Sullivan apareció en The George Carlin Show, co-protagonizó el drama político de corta duración The Monroes a mediados de la década de 1990, y desempeñó un papel secundario en la película My Best Friend’s Wedding (como la madre del personaje de Cameron Diaz) (1997). En Dharma & Greg, interpretó a la presumida matriarca del club de campo Kitty Montgomery de 1997 a 2002. La serie reunió a Sullivan con el actor Mitchell Ryan (que interpretó a su esposo Edward), con quien había trabajado en Tener bebés. Apareció en cuatro episodios de la tercera temporada de Hope and Faith como Nancy Lombard, la terapeuta de Faith. Sullivan expresó la Reina Hipólita en la serie animada Liga de la Justicia Ilimitada. También ha aparecido en la serie de televisión Brothers & Sisters, Juana de Arcadia, Two and a Half Men, Dead Like Me, The Kominsky Method, y Last Man Standing.

De 2009 a 2016, co-protagonizó junto a Nathan Fillion, Stana Katic y Molly Quinn en Castle. La carrera como actriz de su personaje Martha Rodgers ha sido paralela a la suya, incluyendo referencias a apariciones en telenovelas. Un clip de la aparición de Sullivan en el piloto de The Incredible Hulk se ha mostrado en pantalla, supuestamente la aparición de Rodgers en la serie.