2000年2月，参加中央电视台春节联欢晚会，并表演开场歌舞《把春天迎进来》；；同年，与成龙、克里斯·塔克联袂主演动作电影《尖峰时刻Ⅱ》，在片中饰演美丽又凶残的女打手胡莉，从而正式进军好莱坞；此外，她还凭借电影《卧虎藏龙》入围了第27届美国电影电视土星奖最佳女配角奖。

　　2001年，与郑伊健、张柏芝、古天乐合作出演由徐克执导的古装仙侠电影《蜀山传》，在片中饰演段雷的徒弟程乐天；9月7日，与郑雨盛、朱镇模合作主演的古装动作电影《武士》在韩国上映，在片中饰演朱元璋的幼女芙蓉公主。

　　2002年，入围第15届美国儿童选择奖最受欢迎女英雄奖、第3届美国青少年选择奖观众票选突破演出奖；12月12日，与李连杰、梁朝伟、张曼玉、陈道明合作主演的武侠电影《英雄》首映，在片中饰演残剑的女仆如月。

　　经典荧幕形象

　　2003年7月25日，与刘烨搭档主演的谍战电影《紫蝴蝶》上映，在片中饰演身为地下党紫蝴蝶组织成员的女主角丁慧（辛夏）；同年，凭借电影《英雄》入围第22届香港电影金像奖最佳女配角奖、第8届香港电影金紫荆奖最佳女配角奖。

　　2004年7月16日，与金城武、刘德华领衔主演的古装武侠电影《十面埋伏》上映，在片中饰演为了替父亲报仇而隐姓埋名委身于牡丹坊卖艺的小妹，并凭借该片获得第11届中国电影华表奖优秀女演员奖；9月28日，其主演的剧情电影《2046》上映，在片中饰演占有心极强的风尘女子白玲；此外，她还获得了第六届CCTV-MTV音乐盛典杰出艺人奖。