1999年,葛优在冯小刚执导的电影《没完没了》中饰演出租车司机韩冬。
2000年,葛优主演电影《大腕》,在片中他饰演一位电影厂的下岗摄影师。
2002年,葛优凭借在《大腕》的表演获得了第25届大众电影百花奖最佳男主角奖。
2003年,主演冯小刚执导的电影《手机》,葛优饰演的严守一是一名电视台的主持人,主持《有一说一》的谈话节目,但这个人物在公众面前讲真话,生活之中却说假话。
2004年,凭借电影《卡拉是条狗》获得第27届大众电影百花奖最佳男主角奖;同年出演冯小刚执导的电影《天下无贼》,饰演盗窃团伙首领胡黎。
2006年,在冯小刚执导的《夜宴》中饰演有些神经质,同时还有些脆弱的厉帝。2007年,在刘仪伟执导的《命运呼叫转移》中饰演纯朴憨厚的农民老三。
2008年,在冯小刚执导的电影《非诚勿扰》中饰演海归秦奋,与舒淇演绎了寻找真爱的童话。2009年3月,凭借《非诚勿扰》获得第三届亚洲电影大奖最佳男主角;12月担任首届澳门国际电影节评审委员会主席。
2010年,主演陈凯歌执导的电影《赵氏孤儿》,片中葛优饰演的程婴是一个有悖传统中国宗法伦理规范,弃亲生子不顾,将他人孩子抚育成人的悲情英雄;同年12月16日,葛优与姜文,周润发合演的电影《让子弹飞》在全国上映。
2011年8月,凭借《赵氏孤儿》获得第14届中国电影华表奖最佳男演员奖;12月与英皇娱乐签下为期五年共三部影片的合约。2013年12月19日,葛优主演的贺岁喜剧电影《私人定制》在全国上映。2014年,主演姜文执导的电影《一步之遥》,饰演警探项飞田。