2004年，在犯罪剧《苍天有眼》中饰演刑警队长崔华；还出演了由林志颖主演的古装剧《书剑情侠柳三变》。2007年，与张国立、邓婕等人合作出演亲情剧《亲兄热弟》，饰演演张国立和邓婕的女儿刘眉眉，在剧中对父亲心存恨而最终与父母和好 ；12月，被冯小刚导演选中在张涵予、邓超等人主演的战争题材电影《集结号》担任女主角孙桂琴，性格善良坚强，为丈夫王金纯讨回“牺牲”的荣誉 ，她也凭借该角色获得第29届大众电影百花奖最佳女主角提名 ，因而受到关注。2009年1月，再度与邓超合作出演情感剧《人间情缘》，饰演柔美纯良的文工团台柱子查建英，对爱情执着的她与邓超饰演的黎小军演绎了一段旷世奇恋，获得观众喜爱 ；4月，出演年代戏《深宅》，在剧中扮演秦岚的妹妹白玉枫，因爱生恨而落下个悲惨结局 ；8月，出演以“人肉搜索”为题材的悬疑电影《无形杀》，该片讲述了她与印小天饰演的一对因网络结缘的情侣引发的离奇命案；随后还出演了,战争情感题材电视剧《烽火影人》，饰演谷雨濛，在投身电影团后成长为一名坚强的八路军战士 。2010年4月1日，出演动作电影《火龙对决》，她与王宝强扮演一对从内地到香港谋生的夫妻，身怀六甲的她被卷进一宗杀人案中，黎明还在火灾中冒险为其接生 ；同年还在都市爱情电影《丹妮的童话》中饰演女主角丹妮，一个清纯快乐的巧克力店员 ；2011年7月，在沙漠斗争传奇电视剧《风雨沙坡头》中扮演军统人员马友兰，在责任和感情中苦苦挣扎，塑造了兼具复杂、坚毅和美艳的形象 。2012年4月，主演援藏题材电视剧《雪浴昆仑》中，她饰演的乔阿梅是个敢爱敢恨、勇敢坚强的军中护士，在新疆、西藏恶劣的自然环境下诠释出援藏女兵五十年跨度的爱恨情仇 ；12月， 在历史古装题材电视剧《楚汉传奇》饰演戚夫人 。2013年1月，出演动作枪战电影《越位者》，饰演外表柔弱，却敢爱敢恨、勇于承担的母亲“芸洁” 。2014年12月，与姚安濂共同主演珠三角创业题材影片《打工老板》 。2015年，与张国强搭档主演反法西斯战争题材电视剧《1945黎明之战》 ，饰演“杨桃”一角，年轻貌美且家境优越，曾留学海外的她机缘巧合地加入了抗日组织“蚂蚁小分队”，成为一名抗日女战士 。汤嬿领衔主演的反战亲情院线电影《云情报》，将于10月上映 。