Plummer desarrolló una exitosa carrera en el circuito teatral paralelamente al cine y la televisión, obteniendo el Tony por su participación en el musical Cyrano y en Barrymore, obra dedicada al célebre actor. Esto sucedía en 1974 y 1996, cuando ya era un intérprete consolidado. Sus primeros papeles tuvieron lugar para la televisión canadiense, mudándose a Nueva York en los años 50 para debutar en el cine de la mano de Sidney Lumet, con Sed de triunfo. Ese mismo año, 1958, también se puso a las órdenes de Nicholas Ray en Muerte en los pantanos, logrando participar en otras grandes producciones de la época como La caída del imperio romano (1964) y, sobre todo, el exitoso musical Sonrisas y lágrimas, del mismo año, donde encarnó al Capitán Von Trapp.

En 1975 protagonizó tanto El regreso de la pantera rosa como El hombre que pudo reinar en compañía de Sean Connery, que murió a finales de 2020. En 1979 intervino como el mismísimo Sherlock Holmes en Asesinato por decreto sin nunca darle la espalda en televisión, protagonizando a finales de la década de los 80 Nosferatu, príncipe de las tinieblas. En el 91 participó en Star Trek VI. Aquel país desconocido y tres años después se vio las caras con Jack Nicholson en Lobo. Llegado 1995 formó parte del reparto de 12 monos de Terry Gilliam y en 1999 protagonizó El dilema de Michael Mann.

Llegado el nuevo milenio Plummer consolidó su estatus como actor secundario de gran oficio, interviniendo tanto en Una mente maravillosa como en La búsqueda, de 2001 y 2004. Un año después apareció tanto en Syriana como en El nuevo mundo y protagonizó Plan oculto para Spike Lee, en la que sería su segunda colaboración con el director tras Malcolm X, allá por 1992. En 2009 puso voz a Charles Muntz, el avejentado villano de Up, y al año siguiente ganaría el Oscar por Beginners.

Los últimos grandes papeles de su carrera tuvieron lugar en Millenium: Los hombres que no amaban a las mujeres (2011) y la citada Puñales por la espalda, sin que debamos olvidar el sonado caso de Todo el dinero del mundo en 2017, cuando sustituyó a Kevin Spacey una vez la película ya había concluido supuestamente su rodaje. Por este film de Ridley Scott obtuvo su tercera nominación al Oscar: las otras dos habían venido motivadas por La última estación en 2009 y, claro, Beginners.