Heigl wurde einem größeren Publikum durch die Rolle der Isobel Catherine „Izzie“ Stevens in der Fernsehserie "Grey’s Anatomy" bekannt, die sie von 2005 bis 2010 spielte. Sie wurde für diese Rolle bei der Primetime-Emmy-Verleihung 2007 als beste Nebendarstellerin in einer Drama-Serie ausgezeichnet, zudem in den Jahren 2007 und 2008 für einen Golden Globe Award nominiert. Im Frühjahr und Sommer 2009 wurde über ihren möglichen Ausstieg nach Staffel 5 spekuliert. Im März 2010 wurde Heigls Ausstieg offiziell bekannt gegeben. Sie verließ die Serie in der 12. Episode der 6. Staffel "(Die Entweder-Oder-Falle)", die am 21. Januar 2010 auf dem US-Sender ABC ausgestrahlt wurde.