Laurence a débuté sa carrière en tant que directrice de recherche à l'Institut national de la recherche agronomique (INRA). Dans les années 80 et au début des années 90, elle a fondé puis dirigé Solagral, une ONG travaillant sur la sécurité alimentaire et l'environnement mondial. De 1997 à 2002, elle a été conseillère principale pour l'environnement auprès du Premier ministre français Lionel Jospin. En 2002, elle a fondé puis dirigé jusqu'en 2014 l'Institut du développement durable et des relations internationales (IDDRI), basé à Paris. De 2009 à 2010, elle a créé puis dirigé la nouvelle Direction des Biens Publics Mondiaux du Ministère français des Affaires Etrangères. En 2013, elle a présidé le débat national français sur la transition énergétique.

Depuis 2012, elle co-préside le Conseil de direction du réseau des solutions pour le développement durable (SDSN) des Nations unies. Elle préside également le Conseil d’administration de l’Agence française de développement (AFD). Elle a rejoint le Conseil consultatif scientifique de l’ONU fin 2013.

En 2014, Laurence Tubiana a été nommée représentante spéciale du ministre des Affaires étrangères, Laurent Fabius, dans le cadre de la COP 21. Elle était également ambassadrice chargée des négociations sur le changement climatique, jusqu’à fin 2016.