Cariera sopranei a început oficial în 1964, odată cu debutul la Opera Națională București. Recunoașterea internațională a venit rapid, câștigând în 1965 primul premiu la concursul din Hertogenbosch, în Țările de Jos, pentru operă, lied și oratoriu, urmat de un premiu de radio-televiziune la München în 1966.
Un moment emblematic al carierei sale a avut loc în 1975 la La Scala din Milano, unde a înlocuit în ultimul moment pe Mirella Freni în rolul Mimi. Această apariție a fost facilitată de cererea explicită a tenorului Luciano Pavarotti, care a transmis: „Aduceţi‑o pe Cotrubaș!”.
Pe parcursul activității sale, artista a apărut pe scene precum Royal Opera House Covent Garden, unde a spectroscopic aproximativ 20 de ani, și Metropolitan Opera din New York, unde a avut peste 50 de apariții. A colaborat, de asemenea, cu Placido Domingo și a reprezentat Lyric Opera Chicago în 1973.
După retragerea de pe scene, Ileana Cotrubaș s-a dedicat formării noilor generații de artiști prin predare și cursuri de măiestrie. Opera Națională București a transmis că „Ileana Cotrubaș rămâne în memoria operei românești și universale ca o artistă de o rară noblețe vocală și scenică”.