2000年，33岁的她接到了导演大卫·林奇的片约，片名是《穆赫兰道》 。2002年，她主演的美版《午夜凶铃》成为2002年美国首映首周电影票房冠军 。整合，娜奥米迅速投入《凯利党》、《21克》和《幸福合作社》等片的拍摄中，并获得了奥斯卡影后提名 。2005年，娜奥米遇见了彼得·杰克逊，担任了《金刚》的女主角安·达罗（Ann Darrow） 。2006年，她与爱德华·诺顿合作主演了中美合拍电影《面纱》 。2007年，娜奥米出演大卫·柯南伯格导演的犯罪惊悚片《东方的承诺》 。2008年，娜奥米·沃茨在传记片《我的名字叫乔迪·威廉姆斯》中扮演诺贝尔和平奖得主、社会活动家乔迪·威廉姆斯 。2009年，沃茨与克里夫·欧文共同主演了《跨国银行》，并出演了家庭伦理片《母与子》。 同年，41岁的娜奥米·沃茨以平均收1美元片酬便为电影公司赚回44美元票房的成绩稳居《福布斯》2009年年度最高票房回报率女星名单榜首 。2010年1月，娜奥米·沃茨加盟丹尼尔·克雷格主演的心理惊悚片《梦宅》，该片由爱尔兰导演吉姆·谢里丹执导，环球公司投拍 。同年，娜奥米还参演了伍迪·艾伦执导的《遭遇陌生人》，并与西恩·潘二度合作主演了《公平游戏》。 2011年11月，她与莱昂纳多·迪卡普里奥主演的《胡佛》上映 。2012年，娜奥米·沃茨在西班牙导演胡安·安东尼奥·巴亚纳导演的灾难片《海啸奇迹》中担任女主角，并第二次荣获奥斯卡金像奖最佳女主角提名，同时收获了第70届金球奖（剧情片）最佳女主角(提名)。 2013年1月25日，她出演的《电影43》在北美公映 。同年，沃茨参演了《忘年恋曲》，并在传记片《戴安娜》中饰演已故英国王妃戴安娜。 2014年6月，娜奥米·沃茨确定加盟《分歧者》三部续集，将在片中饰演无派别人士的领袖“伊芙琳”，与奥斯卡影后凯特·温斯莱特和奥斯卡最佳女配奥克塔维亚·斯宾瑟同台飙戏。 在2014年12月，第21届美国演员工会奖公布的提名名单中，娜奥米·沃茨分别凭借电影《鸟人》和《圣人文森特》同时提名最佳群戏和最佳女配角两个奖项 。2015年，由马修·麦康纳、渡边谦、娜奥米·沃茨等主演的电影《青木原树海》确定了日本版片名为《追忆之森》，2016年在日本上映 。娜奥米·沃茨与雅各布·特伦布莱、杰顿·李博赫加盟《亨利之书》，娜奥米·沃茨在片中出演一位单身母亲 。2016年，澳大利亚动画电影《无赖》曝卡司，休·杰克曼与娜奥米·沃茨双双加盟献声片中角色 。