En 2006, elle débute une carrière au cinéma dans l'adaptation du roman de David Nicholls Starter for Ten. Elle enchaîne dans le film de Christopher Nolan Le Prestige, où elle obtient un premier rôle important. Ce n'est qu'en 2008 qu'elle se fait véritablement connaître du grand public grâce au film Vicky Cristina Barcelona, de Woody Allen, dans lequel elle joue l'un des deux rôles titres, celui d'une touriste américaine troublée par un peintre espagnol (Javier Bardem). Sa performance est saluée par les critiques et lui vaut d'être nommée au Golden Globe de la meilleure actrice dans un film musical ou une comédie
La même année, on peut la voir dans le film de Ron Howard Frost/Nixon où elle joue le rôle de la petite amie de David Frost.
En 2010, elle est à l'affiche de deux films : la comédie dramatique La Beauté du geste, au côté de Catherine Keener, Oliver Platt et Amanda Peet, suivi du thriller The Town, dans lequel elle incarne une directrice de banque traumatisée par un braquage et tombe sous le charme d'un homme (incarné par Ben Affleck), sans savoir qu'il est l'un des braqueurs.