Elle rejoint, en 2009, la série "The Big Bang Theory" qui achevait sa troisième saison, pour incarner Amy Farrah Fowler. Elle fait sa première apparition dans l'épisode final de ladite saison, lors de sa rencontre avec le personnage de Sheldon Cooper, interprété par Jim Parsons. Amy Farrah Fowler est docteur en neurobiologie, ce qui coïncide avec la formation universitaire de Mayim Bialik, achevée deux années plus tôt avec un doctorat en neurosciences. Son rôle dans "The Big Bang Theory" lui valut une nomination pour la des 2012, dans la catégorie meilleure actrice dans un second rôle dans une série télévisée comique, en plus de la nomination, en avec toute l'équipe de "The Big Bang Theory", aux Screen Actors Guild Awards dans la catégorie meilleure distribution pour une série télévisée comique.