Il successo
Dopo essere tornata davanti alla macchina da presa, nel 2004 vince il premio come migliore attrice protagonista ai Nastri d'argento per la sua interpretazione in "La meglio gioventù". Un anno dopo prende parte a "Romanzo Criminale", film diretto da Michele Placido e ispirato all'omonimo romanzo di Giancarlo De Cataldo sulla Banda della Magliana, in cui recita nella parte di Roberta, la fidanzata de Il Freddo. Nello stesso anno è protagonista, insieme a Silvio Muccino, dell'episodio "Innamoramento" di "Manuale d'amore", con la regia di Giovanni Veronesi. Nel 2006 torna a lavorare con Nanni Moretti, questa volta nel film "Il caimano", per il quale riceve la terza candidatura al David di Donatello per la migliore attrice non protagonista. Nel 2007 prende parte al film "Piano, solo" con Kim Rossi Stuart, Michele Placido e Paola Cortellesi. Nel 2009 recita in "Il grande sogno", film di Michele Placido, con cui vince il Premio Marcello Mastroianni come interprete emergente alla 66ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia. Nel 2011 recita nel film "Ti amo troppo per dirtelo", il terzo film di Marco Ponti.
Due anni dopo è protagonista dei film "Miele" e "Un giorno devi andare", per il quale ottiene due nomination ai David di Donatello 2013 e 2014 come migliore attrice protagonista. Con entrambe le pellicole vince il Nastro d'argento come migliore attrice protagonista. Un anno dopo lavora nel film "Meraviglioso Boccaccio" ed è protagonista con Riccardo Scamarcio di "Nessuno si salva da solo", diretto da Sergio Castellitto. Recita poi in "The Gunman" accanto a Sean Penn e Javier Bardem. Nel 2017 lavora ancora con Sergio Castellitto nel film "Fortunata", per il quale otterrà il premio Un Certain Regard come miglior attrice e il David di Donatello per miglior attrice protagonista. Tra agosto e settembre fa parte della giuria della 74ª edizione del Festival di Venezia, presieduta da Annette Bening. Nel 2018 interpreta Ilaria Cucchi nel film "Sulla mia pelle". Nel 2022 firma il suo primo film da regista con "Marcel!", interpretato da Alba Rohrwacher e da Maayane Conti.