2001年台湾戏剧之父赖声川来到中戏做客席讲座，院里选中 了1999级和2000级导演系的几个学生参与排演，就是后来在人艺小剧场上演了一场的《如梦之梦》的一个半小时片段。汤唯的角色是五号病人的妻子A。她的表现和踏实作风赢得了赖声川的喜爱，赖声川走的时候托付戏剧制作人袁鸿好好关照她。 2005年话剧《切·格瓦拉》复排选角时，袁鸿把汤唯带过来给导演杨婷看。杨婷认为汤唯“身上很干净，就有那么种正气，特像革命女战士”，因此选定她出演正方女一号。后来杨婷带着汤唯去韩国演出《切·格瓦拉》，汤唯的脚扭伤了，坚持把几场戏演完，一个人把戏剧节所有的话剧都看了。电视剧《警花燕子》的导演张菁就是在看完《切·格瓦拉》后决定让汤唯来出演燕子一角，这个角色让汤唯获得了生平第一个女演员奖——2005年第6届数字电影百合奖优秀女演员。 2006年夏天，刚刚凭《断背山》获得奥斯卡最佳导演的李安宣布回归华语电影，筹拍由张爱玲短篇小说改编的电影《色·戒》，为了能够找到适合王佳芝的演员，李安开始在两岸三地大规模选角。当时还是无名小演员的汤唯在北京参加面试，被香港演员导演Rosanna推荐给了李安，李安在北京约谈汤唯两次，又向赖声川电话征求意见。其后汤唯被带到上海进行训练，唱苏州评弹、学习打麻将，而后又分别在北京和香港进行魔鬼式训练，学习上穿旗袍高跟鞋、看电影、苦读史料级各类书籍，每天近10个小时、历时3个月训练之后，李安满意后，终于签订合同。 2007年8月31日，电影《色·戒》亮相威尼斯，汤唯与李安、梁朝伟等一道踏上影展的红地毯，最终影片获得最高奖“金狮奖”。 在2007年12月8日举办的第44届台湾电影金马奖上，汤唯荣获最佳新人奖。 2008年底，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，有助于其影视事业的发展。 2009年，在经纪人江志强的推荐下，汤唯与张学友出演编剧岸西导演作品《月满轩尼诗》。2010年春此片顺利在内地上映，汤唯也接连出现在央视主办的活动中，宣告“解禁”。 此片中 汤唯凭借清新喜剧的表演获得金马奖金像奖最佳女主角双提名，并荣获第11届华语电影传媒大奖最佳女主角奖。2010年9月，参演《建党伟业》，汤唯在片中扮演江南第一才女陶毅，但是其后遭遇删戏，尽管在预告片短暂露脸，但在108人演员名单中，汤唯正式消失，引起外界一定猜测。 2011年，汤唯与玄彬共同主演的文艺片《晚秋》在韩国上映。该片翻拍自韩国上世纪60年代经典文艺爱情片，她扮演一位因表现良好而得到假释的女犯人，与玄彬出演的逃犯短暂相恋。 汤唯凭借影片当中的演出在第47届韩国百想艺术大赏颁奖礼上荣获电影部门的最佳女主演奖，成为了韩国三大奖历史上第一位获得最佳女主演的外国女演员。汤唯因《晚秋》在韩国影坛共获得了十项最佳女主角奖项。 2012年3月该片引进中国大陆，影片近七千万票房。 2011年，由陈可辛导演、甄子丹、金城武、汤唯“甄唯武”组合主演的《武侠》上映，汤唯在该片首演村妇和妈妈。2011年5月13日影片入围了戛纳国际电影节“午夜展映”单元首映，汤唯同其他主创一起亮相红地毯。 汤唯仍然凭借此片获得了香港金像奖最佳女主角提名。2012年，第17届釜山国际电影节开幕式，中国女星汤唯搭档韩国演员安圣基献上主持人首秀。 2013年3月，由薛晓璐执导，汤唯、吴秀波主演的爱情片《北京遇上西雅图》上映。电影票房累计5.2亿元，刷新了国产电影爱情片票房纪录。同期香港票房破1000万元港币，打破内地爱情喜剧在香港的票房纪录。影片为汤唯四年内第三次提名香港电影金像奖最佳女主角，并在内地收获北京大学生电影节、广州大学生电影节、中国电影导演协会等多项奖项。2014年，汤唯与冯绍峰、王志文、郝蕾参演了许鞍华导演的《黄金时代》，片中扮演民国传奇女作家萧红 。4月15日，《黄金时代》第一次全阵容亮相 。汤唯也因此片第三次提名台湾电影金马奖最佳女主角奖。 2015年1月8日，在美国洛杉矶参加其参演电影《骇客交锋》首映礼 。2月6日，凭借电影《黄金时代》，荣获第34届香港电影金像奖最佳女主角提名 ，这是她第四次入围该奖项。4月17日，汤唯在洛杉矶参加Burberry“London in Los Angeles”活动。 同年与廖凡、苏岩主演的爱情喜剧电影《命中注定》将于7月24日上映。 2016年，与薛晓路、吴秀波再次合作，主演电影《北西》的姐妹篇《北京遇上西雅图之不二情书》 。该片于2016年4月29日在中国内地上映，票房达7.9亿，刷新华语爱情片票房纪录。