La carriera in Italia
Nel 2002 vince il Nastro d'argento al Taormina Film Fest come miglior attrice protagonista per "Respiro", seguito nel 2006 dal David di Donatello per la migliore attrice protagonista per "La guerra di Mario" di Antonio Capuano, per il quale vince anche il Globo d'oro della Stampa Estera, il premio Flaiano e viene candidata al Nastro d'argento alla migliore attrice protagonista. Sperimenta più volte il mondo della musica, prestando la sua voce a quattro brani per altrettanti film: "Io racconterò", "The Man I Love", "Maybe once more" e "Piangi Roma", che vincerà anche il Nastro d'argento alla migliore canzone originale. Nel 2013 esordisce come regista con il film "Miele", interpretato da Jasmine Trinca. Il film, in concorso al Festival di Cannes nella sezione Un Certain Regard, le vale una Menzione speciale della giuria Ecumenica. Inoltre le permette di vincere il Nastro d'argento al miglior regista esordiente, il Globo d'oro alla miglior opera prima e il Ciak d'oro 2014 alla migliore opera prima. Nell'autunno 2013 esce "Come il vento" di Marco Simon Puccioni, la tragica biografia di Armida Miserere, donna che fu una delle prime donne direttrici di carcere. Alla 59ª edizione dei David di Donatello riceve tre candidature: per la miglior regista esordiente, la migliore sceneggiatura per Miele e vince il David di Donatello per la migliore attrice non protagonista per il film "Il capitale umano" di Paolo Virzì. Nel giugno 2014 viene candidata al Nastro d'argento alla migliore attrice per "Come il vento".
Nel 2014 esce nelle sale cinematografiche italiane "Il ragazzo invisibile", storia di un giovanissimo supereroe, nel quale l'attrice interpreta un commissario di polizia che è anche la madre adottiva del protagonista. Nel gennaio successivo è protagonista de "Il nome del figlio" adattamento italiano della pièce teatrale francese "Le Prénom". Nel maggio successivo viene candidata ai Ciak d'oro e ai David di Donatello come attrice non protagonista per il suo ruolo ne "Il ragazzo invisibile". Nel 2015 vince per la seconda volta la Coppa Volpi alla 72ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia per l'interpretazione in "Per amor vostro" di Giuseppe M. Gaudino. Per lo stesso film viene candidata ai David di Donatello e ai Nastri d'argento come migliore attrice protagonista e vince il premio Anna Magnani al Bari International Film Festival 2016. Nel 2017 "Il colore nascosto delle cose", il film con Valeria Golino, Adriano Giannini, diretto da Silvio Soldini, è presentato fuori concorso alla 74ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia. Nel 2018 presenta il film "Euforia", da lei diretto, al Festival di Cannes. Nel 2020 vince il David di Donatello come migliore attrice non protagonista nel film "5 è il numero perfetto". Nel 2021 ritorna sugli schermi di Apple TV nella seconda serie di "The Morning Show", dove interpreta il ruolo di una documentarista.