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。《色・戒》9月开机，一共拍了118天戏，114天都在拍汤唯。李安把整部戏的成败押在新人汤唯身上，但汤唯顶住压力全情投入。
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。首映过后，汤唯博得了海内外媒体的称赞，声势一度超过了梁朝伟，最终影片获得最高奖“金熊奖”。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。
虽然《色・戒》使得汤唯在华语影坛以及西方影视界获得关注，但该片中几段激情戏使得汤唯和男主角梁朝伟倍感压力。除了民间非议以外，中国大陆官方也通过行政手段对她进行了限制。2008年3月5日各电视台接到中华人
民共和国广电总局的电话命令，禁止对汤唯进行任何形式的宣传，包括播出她代言的广告，并要求低调处理此事。广电总局的“封杀”影响了汤唯参与影视工作的进程，直接影响是使其无法顺利接演片约，整个2008年演艺事业完全陷于停顿。汤唯的经纪公司安乐电影秉着”沉默是金“的原则，在李安的推荐下安排汤唯远走英国短期学习舞台剧和英文。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》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“LondoninLosAngeles”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。
