Bakula se trasladó a Nueva York en 1976, donde debutó en Broadway interpretando a la leyenda del béisbol Joe DiMaggio en Marilyn: An American Fable, y apareció en la bien recibida producción de Off-Broadway Three Guys Naked from the Waist Down; más tarde aparecería en su producción de Pasadena Playhouse. El éxito de Three Guys Off-Broadway le llamó la atención, y cuando su siguiente espectáculo, el musical Nightclub Confidential, coprotagonizado por su esposa Krista Neumann, se trasladó a Los Ángeles, lo hizo a instancias de su agente en California, Maggie Henderson, y de su agente en Nueva York, Jerry Hogan. Como recordaba Bakula en el año 2000:
Llamé y dije tengo una serie, voy a estar allí, voy a salir en enero. Así que se solucionará porque es el momento de la temporada de pilotos y voy a hacer algo para que la gente pueda venir a verme. … Y casualmente había hecho una película de Disney Sunday Night ABC que iba a salir en algún momento del invierno. Era el momento de ir. Salí aquí el día de Año Nuevo de 1986. El programa que hice resultó ser un gran éxito aquí. Me llamó mucho la atención y al principio me metí en la comedia de televisión Designing Women y pude hacer ese piloto… y las cosas despegaron.
Hizo dos series de corta duración: Gung Ho y Eisenhower & Lutz. Durante una huelga de guionistas de Hollywood, regresó a Nueva York para protagonizar Romance/Romance, y después consiguió el papel principal junto a su compañero de reparto Dean Stockwell en la serie de televisión de ciencia ficción Quantum Leap (1989-1993). Bakula interpretaba al Dr. Sam Beckett, un viajero en el tiempo que se veía atrapado por un mal funcionamiento de su máquina del tiempo para corregir cosas que habían salido mal en el pasado. Su actuación en la serie le valió un Globo de Oro (junto con tres nominaciones) y cuatro nominaciones a los premios Emmy como mejor actor, así como cinco premios consecutivos de los espectadores a la televisión de calidad como mejor actor en una serie dramática de calidad.
En 1995, Bakula apareció en la portada de Playgirl. Puso voz a Danny Cat en la película de animación Cats Don’t Dance (1997), cantando en un número con Natalie Cole. Interpretó al veterano lanzador Gus Cantrell en Major League: Back to the Minors (1998), la última película de la trilogía Major League. También interpretó a Jim Olmeyer, la pareja del mismo sexo del Jim Berkley de Sam Robards, en la película American Beauty (1999).
Bakula interpretó a Jonathan Archer, el capitán de la primera nave interestelar de largo alcance de la Tierra, en Star Trek: Enterprise de 2001 a 2005. En 2006, retomó el papel de Archer para los videojuegos de Star Trek: Legacy para PC y Xbox 360 como doblador.
Bakula protagonizó el musical Shenandoah, obra que también le proporcionó su primer papel teatral profesional en 1976, en el Teatro Ford, en 2006. A Bakula se le oye cantar «Pig Island» en el CD infantil de Sandra Boynton Philadelphia Chickens, cuya etiqueta dice que es «Para todas las edades excepto 43». Scott Bakula ha dicho que podría protagonizar el papel de Sam en una película de Quantum Leap, tal y como se afirma en la revista TV Guide, junto con Dean Stockwell. En la Comic Con 2010, anunció que se estaba trabajando en un guión y que, aunque estaría en la película, no tendría el papel principal.
Bakula interpretó varias canciones de su carrera para una actuación de una sola noche titulada An Evening with Scott Bakula en el Sidney Harman Hall el 18 de enero de 2008, como beneficio para la restauración del histórico Ford’s Theater. Bakula tuvo tres apariciones en 2008. Apareció como el abogado Jack Ross en un episodio de Boston Legal, «Glow in the Dark», que se emitió el 12 de febrero de 2008 en la cadena ABC. Del 4 de marzo al 20 de abril, interpretó a Tony Hunter en el estreno mundial de Dancing in the Dark en el Old Globe de San Diego, California. Dancing in the Dark está basada en la película The Band Wagon (1953), protagonizada por Fred Astaire y Cyd Charisse. Bakula apareció como el personaje Chris Fulbright en la serie de cinco episodios de la comedia de sketches de Tracey Ullman State of the Union en Showtime.
Bakula en los Saturn Awards, 2012
Bakula apareció en la película de comedia negra ¡El informante! (2009) como Brian Shepard, un agente del FBI que trabaja con el personaje del título, Mark Whitacre, (interpretado por Matt Damon). En abril de 2009, comenzó un papel recurrente en la serie de televisión Chuck como Stephen J. Bartowski, el padre perdido del personaje. Del 31 de julio al 2 de agosto de 2009, interpretó a Nathan Detroit en tres representaciones de Guys and Dolls en el Hollywood Bowl. A partir de diciembre de 2009, Bakula comenzó a aparecer como Terry, uno de los tres personajes principales, junto con Ray Romano (Joe) y Andre Braugher (Owen), en la comedia/drama de una hora de duración de TNT Men of a Certain Age.
En 2011, Bakula realizó un cameo de voz en la película Source Code como un ligero guiño a su personaje en Quantum Leap, con su eslogan «Oh, boy.» y apareció en el largometraje documental Los Capitanes, que fue escrito y dirigido por William Shatner, Bakula es entrevistado por el capitán original de Star Trek sobre su vida y su carrera hasta llegar a sus interpretaciones como el capitán Jonathan Archer en Star Trek: Enterprise. En la película, Shatner entrevista a Bakula en su rancho de California, donde ambos montan a caballo y hablan de los escollos que conlleva una carrera en la televisión.
En septiembre de 2011, Bakula protagonizó Terrible Advice, de Saul Rubinek, en la Menier Chocolate Factory. Entre abril y mayo de 2012, actuó como invitado en los últimos cinco episodios de Mujeres Desesperadas como el abogado penalista y tercer marido de Bree Van de Kamp. En abril de 2013, hizo una aparición como invitado en Two and a Half Men como un vendedor de coches. En agosto de 2013, se anunció que Bakula tendría un papel recurrente en la primera temporada de la nueva serie de HBO, Looking. También apareció en la película Geography Club (2013).
En febrero de 2014, Bakula fue elegido como el protagonista de un piloto de puerta trasera para la actual serie spin-off de NCIS, NCIS: Nueva Orleans, que comenzó como un episodio de dos partes de su serie matriz en la temporada de primavera de 2014. La tercera temporada de NCIS: Nueva Orleans se estrenó el 20 de septiembre de 2016.
En 2016, Bakula apareció como juez invitado en el programa de HGTV Brothers Take New Orleans con los presentadores de Property Brothers, Jonathan y Drew Scott.
Hizo una aparición en el estreno de la temporada 12 de It’s Always Sunny in Philadelphia como él mismo.