《警花燕子》饰演燕子 2005年电视剧《警花燕子》汤唯出演燕子一角，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。电影《色·戒》 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“金狮奖”。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。

《月满轩尼诗》剧照 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。

《晚秋》剧照 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。