2001年，汤唯在赖声川的话剧《如梦之梦》中饰演五号病人的妻子。2004年，汤唯参加了“环球小姐”选美比赛，获得北京赛区第五名的成绩；同年，汤唯还出演了电视剧《后海前街》和《兄弟如手足》。2005年，在袁鸿的推荐下，汤唯被杨婷选中出演话剧《切·格瓦拉》。

2006年3月29日，汤唯主演的银幕处女作《警花燕子》上映，她在片中饰演正义的女交警田燕，凭借该片中的表现她获得了第6届电影频道数字电影百合奖“优秀女演员”奖；同年，汤唯在都市情感剧《女人不哭》中饰演爱慕虚荣的物质女孩尚丽；6月，李安导演公开为电影《色·戒》挑选女演员，汤唯被初步选中并到上海参加训练，每天学习上海话、穿旗袍高跟鞋等，历时一个多月，终于与李安签订了合同，成为该片的女主演。

2007年11月1日，汤唯与梁朝伟合作主演的剧情片《色·戒》上映，她在片中饰演剧团台柱、女大学生王佳芝，并凭借该角色获得第44届台湾电影金马奖最佳新人奖。2008年，汤唯通过香港政府的“优秀人才入境计划”获得香港居民身份，令她在工作上的自由度扩大。

2010年4月1日，搭档张学友出演的由岸西执导的爱情片《月满轩尼诗》上映，她在片中饰演性格深闺倔强、不擅交际的爱莲，凭借该片中的表现提名了金马、金像奖最佳女主角，并在第11届华语电影传媒大奖上夺得最佳女主角奖 ；同年，在献礼影片《建党伟业》中饰演江南第一才女陶毅。

2011年2月17日，汤唯与玄彬共同主演的文艺片《晚秋》在韩国上映，她在片中饰演因表现良好而得到假释期的女犯人安娜，并凭该角色获得第47届韩国百想艺术大赏最佳女主角奖，成为韩国三大奖历史上首位获得最佳女主角的外国女演员，汤唯更凭此片在韩国影坛先后夺得了十项最佳女主角奖项。此外，汤唯还为影片献唱了同名主题曲《晚秋》。之后该片于2012年3月23日登陆中国大陆上映。

2011年7月4日，与金城武、甄子丹合作出演由陈可辛执导的古装武侠片《武侠》上映，她在片中饰演貌美贤良、秀外慧中的村妇阿玉，并凭该角色提名第31届香港电影金像奖最佳女主角，该片还入围了戛纳国际电影节“午夜展映”单元首映；12月27日，汤唯在上映的动作片《极速天使》中饰演了驾车技术一流的洪小依。2012年10月4日，汤唯与安圣基一同担任第17届釜山国际电影节开幕式主持人，这是韩国釜山电影节历史上首次由外国演员担任开幕式主持人。

2013年3月21日，汤唯与吴秀波合作主演的由薛晓璐执导的爱情片《北京遇上西雅图》上映，她在片中饰演言语泼辣、迷恋奢华生活的拜金女文佳佳。该片则取得了5.2亿元的票房成绩；3月28日，该片登陆香港上映，同期香港票房突破1000万元港币，打破内地爱情片在香港的票房纪录。汤唯个人则凭借该片提名第33届香港电影金像奖最佳女主角，并在北京大学生电影节、广州大学生电影节以及中国电影导演协会上获得多个奖项。

2014年9月，出席第71届威尼斯电影节红毯；10月1日，汤唯与冯绍峰合作主演的文艺爱情片《黄金时代》上映，该片由许鞍华执导，而汤唯则在片中饰演了民国传奇女作家萧红，并凭此片提名台湾金马奖、香港金像奖最佳女主角奖。

2015年1月16日，与克里斯·海姆斯沃斯、王力宏等人联袂主演的动作片《骇客交锋》在美国上映，她在片中饰演黑帽黑客的前女友利恩，并凭该片提名第34届香港电影金像奖最佳女主角；7月16日，在上映的奇幻片《捉妖记》中特别出演了大押店老板娘一角；7月24日，其与廖凡合作主演的爱情喜剧片《命中注定》上映，汤唯在片中饰演敢于追求真爱的兽医方圆；8月27日，搭档刘青云主演的剧情片《三城记》上映，汤唯在片中饰演贤良持家的月荣，并献唱电影主题曲《永远的微笑》 ；9月2日，在上映的歌舞剧情片《华丽上班族》中特别出演了白领苏菲一角；同年10月，汤唯还为电影《她的传说》献唱了主题曲《꿈속의 사랑》。

2016年4月29日，与吴秀波二度合作的爱情片《北京遇上西雅图之不二情书》上映，该片取得了7.9亿元的票房成绩，刷新了华语爱情片票房纪录。汤唯在片中饰演有草莽气，但不乏傲骨的赌场公关姣爷，并献声电影主题曲《我曾经也想过一了百了》。

2017年10月25日，汤唯确认出演古装宫廷剧《大明风华》，并在剧中饰演女主角孙若微一角，这是她首部古装剧作品。