พิศมัยเริ่มแสดงละครเรื่อง ราชาธิราช ขณะนั้นอายุ 10 ปี แสดงเป็นตัวทหารยืนเสาธรรมดา ที่โรงละครเก่าติดกับกำแพงมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ต่อมาได้เป็นดาราประจำโรงเรียนนาฏศิลป พิศมัยได้แสดงเป็นนางเอกละคร เรื่อง แว่นแก้ว ในขุนช้างขุนแผน ตอนพลายเพชรพลายบัวออกศึก ในปีต่อมาได้แสดงเป็นพระเอกโดยแสดงเป็นพระสังข์ ตอนหาปลา หลังจากนั้นเริ่มมีชื่อในการรำฉุยฉายพราหมณ์เป็นที่ขึ้นชื่อ

พิศมัย วิไลศักดิ์ แสดงภาพยนตร์เรื่องแรกโดยการชักนำของนักเขียนชื่อดัง ครูศักดิ์เกษม หุตาคม (อิงอร) เมื่อ พ.ศ. 2501 เป็นนางเอกเรื่อง การะเกด คู่กับลือชัย นฤนาท และชนะ ศรีอุบล เป็นที่รู้จักจากฉากรำฉุยฉายในเรื่อง ภาพยนตร์ฉายติดต่อกันประมาณ 2 เดือน ทำรายได้มากกว่า 2 ล้าน นับเป็นภาพยนตร์เรื่องหนึ่งที่ทำให้อุตสาหกรรมภาพยนตร์ไทยเฟื่องฟู

และได้แสดงภาพยนตร์ต่อมาอีกประมาณ 300 เรื่อง ได้แสดงทุกบทบาทและทุกเรื่องที่แสดงได้รับความนิยมจากผู้ชม จนเชิด ทรงศรี ตั้งฉายาให้ว่า ดาราเงินล้าน ผลงานที่มีชื่อเสียงได้แก่เรื่อง สองฝั่งฟ้า (2503), ดรรชนีนาง (2504), จำเลยรัก (2506), ดวงตาสวรรค์ (2506), โนราห์ (2509) ในจำนวนหลายเรื่องพิศมัยได้ใช้ความสามารถพิเศษในการรำไทย รับบทรำในเรื่องด้วย เช่น โนราห์ (2509), เมขลา (2510), สีดา (2511), หนึ่งนุช (2514), ค่าของคน (2514), สักขีแม่ปิง (2516), ระห่ำลำหัก (2518)ในปี พ.ศ. 2504 ได้ขับร้องเพลง หนาวตัก เป็นเพลงประกอบในภาพยนตร์เรื่อง ดรรชนีนาง ประพันธ์คำร้อง โดย ครูสมาน กาญจนผะลิน และ ครูศักดิ์เกษม หุตาคม (อิงอร) และในปี พ.ศ. 2511 ได้บันทึกแผ่นเสียงเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นเพลงที่ได้รับความนิยมมากทำให้ได้รับเชิญให้ขึ้นแสดงคอนเสิร์ตช่วยการกุศลอยู่เนื่องๆ

ในปี พ.ศ. 2527 พิศมัย วิไลศักดิ์ ได้เริ่มแสดงละครเป็นครั้งแรกจาก เรื่อง ห้องที่จัดไม่เสร็จ แสดงทางช่อง 3 ต่อมาได้แสดงอีกกว่า 200 เรื่อง ระยะหลัง พิศมัย วิไลศักดิ์ หันมารับงานแสดงละคร และเป็นครูสอนศิลปะการแสดงให้กับนักแสดงรุ่นหลัง และได้รับยกย่องให้เป็น ศิลปินแห่งชาติ สาขาศิลปะการแสดง (ภาพยนตร์และละครโทรทัศน์) ประจำปี พ.ศ. 2553