1981 verkörpert Mariel Hemingway die Hauptrolle einer minderjährigen Mutter in dem TV-Film "Ich will mein Baby behalten", der auch im deutschen Fernsehen gesendet wird. Kein Geringerer als der große Woody Allen holte Mariel zuvor schon vor die Kamera. Sie mimt die Rolle der frühreifen, naiven und doch starken Freundin des frustrierten New Yorker TV-Autors und Großstadt-Neurotikers Isaac Davis, den Allen selbst in seinem Film "Manhattan" spielt. Mariel Hemingway bekam für ihre Darstellung eine Oscar-Nominierung.
Für ihre vierte Filmrolle in "Personal Best" (1981) - sie spielt eine Athletin - bereitet sie sich in einem intensiven sportlichen Training in allen Disziplinen des Fünfkampfs vor. Der Film ist das Regiedebüt des Drehbuchautors Robert Towne ("Chinatown", "Shampoo", "Yakuza"). In "Star 80" (1983), einem Drama nach wahrer Begebenheit, spielt sie Dorothy Stratten, jenes Playmate des Jahres mit beginnender Hollywood-Karriere, das von seinem eifersüchtigen Ehemann erschossen wird, bevor er sich selbst tötet. Für diese Rolle ließ sich Hemingway extra die Brüste vergrößern.
Ihr schauspielerisches Talent hat zweifellos mit Bob Fosses "Star 80" einen vorläufigen Höhepunkt erreicht: Mariel Hemingway gehörte seinerzeit zu den talentiertesten jungen Schauspielerinnen Amerikas. Über die Rolle der Dorothy Stratten sagt sie: "Sie ist am Anfang wirklich naiv, sehr jung, sehr süß, aber ehrgeizig. Sie wird erwachsen, reifer genau wie ich, fast ein paralleler Vorgang." In den folgenden Jahren nimmt sie Rollen in einigen Serien, Top-, aber auch Flopfilmen an. So wird sie 1988 für ihre Darstellung in "Sunset - Dämmerung in Hollywood" für den Razzie-Award als schlechteste Nebendarstellerin nominiert. Sie fällt auch im Jahr darauf mit "Superman IV - Die Welt am Abgrund" (1987) beim Publikum durch, und kassiert dazu noch eine Razzie-Award-Nominierung für den Streifen.
Ihre Leistung in der dramatischen Serie "Civil War" (1991-93) wird hingegen mit einer Golden Globe Nominierung geehrt. Es folgen weitere Rollen wie etwa in "Die nackte Kanone 33 1/3" (1994), in der TV-Serie "Central Park West" (1995) sowie in der Rosamunde Pilcher-Verfilmung "September". Woody Allen griff 1997 für seine neurotische Komödie "Harry außer sich" (1997) auf die Hemingway-Enkelin zurück. 1999 ist sie in "American Reel" von Mark Archer zu sehen.
Weitere Filme mit Mariel Hemingway: "Das mörderische Paradies" (1983), "Der Professor oder Wie ich meine Frau wiedererweckte" (1985), "Jagdfieber" (1988), "Jack allein im Serienwahn" (1991), "Der Feind im eigenen Haus" (1992), "Bad Moon" (1996), "Crying Child - Schrei aus dem Jenseits" (1996), "Der Kuss des Mörders" (1997), "Road Ends" (1997), "Little Men" (1997), "Die Tochter des Präsidenten: In tödlicher Gefahr" (1999), "Rufmord - Jenseits der Moral" (2000), "Perfume", "Londinium" (beide 2001), "Warning: Parental Advisory", "First Shot" (beide 2002), "American Reel" (2003), "Arnold - Sein Weg nach oben", "Time of Change" (beide 2005), "The Prince", "Airforce Two" (2006), "Greetings from Earth" (2007), "Woody Allen: A Documentary" (2011).