汤唯在导演李安执导的电影《色·戒》中饰演女主角,该片在威尼斯国际电影节荣获最佳影片“金狮奖”,汤唯因在此片中饰演的民国女大学生王佳芝而成名,但也引起争议。其后赴英国学习短期的戏剧表演,通过香港政府的“优秀人才入境计划”获取香港居民身份证。小成本电影《月满轩尼诗》在中国内地上映成功“解禁”,并获得华语电影传媒大奖最佳女演员奖。2011年汤唯凭借电影《晚秋》分别在韩国百想艺术大赏、韩国影评奖、釜山影评家奖等十余个评选中获得最佳女主角奖。2013年主演《北京遇上西雅图》打破华语都市爱情片票房纪录,并获得了第22届上海影评人奖、中国电影导演协会、北京大学生电影节最佳女演员等奖项。2014年汤唯主演反映民国女作家萧红一生的传记电影《黄金时代》。2015年参演好莱坞电影《骇客交锋》。有心人仔细计算过,汤唯在《色·戒》里前前后后共换了27件旗袍,让人看得叹为观止,已打破当年《花样年华》中张曼玉换了23件旗袍的纪录。