Els seus treballs amb J.J. Bigas i Luna en Jamón, jamón (1992), F. Trueba en Belle époque (1992), Á. Fernández Armero en Todo es mentira (1994) i Brujas (1995), F. Colomo en Alegre ma non troppo (1994), Gómez Pereira en El amor perjudica seriamente la salud (1996), P. Almodóvar en Carne trémula (1997) i A. Amenábar en Abre los ojos (1997), l’han convertida en una de les actrius cinematogràfiques espanyoles més internacionals. Posteriorment ha interpretat Lluvia en los zapatos (1998), de M. Ripoll; Don Juan (1998), de J. Weber; La niña de tus ojos (1998), de F. Trueba, pel·lícula amb la qual guanyà un premi Goya a la millor actriu; The Hi-lo Country (1998), de S. Frears; Todo sobre mi madre (1999), de P. Almodóvar; Volavérunt (1999), de J.J. Bigas i Luna; All the Pretty Horses (2000), de B.B. Thornton; Woman on Top (2000), de F. Torres; Blow (2000), de T. Demme; Captain Corelli’s Mandolin (2001), de J. Madden; Sin noticias de Dios (2001), d’A. Díaz Yanes; Vanilla Sky (2001), de C. Crowe; Waking Up in Reno (2002), de J. Brady; Masked and Anonymous (2003), de L. Charles; Fanfan la Tulipe (2003), de G. Krawkzyk; Gothika (2003), de M. Kassovitz; Non ti muovere (2004), de S. Castellitto; Noel (2004), de Ch. Palminteri; Head in the Clouds (2004), de J. Duigan; Sahara (2005), de B. Eisner; Chromophobia (2005), de L. Fiennes; Bandidas (2006), de J. Roenning i E. Sandberg; Volver (2006, premi a la millor actriu del Festival de Canes i Goya a la millor actriu principal 2007), de P. Almodóvar; The Good Night (2007), de J. Paltrow; Elegy (2008), d’I. Coixet; Vicky Cristina Barcelona (2008), per la qual guanyà, el 2009, els premis Gaudí, Goya i l’Oscar com a millor actriu secundària, i To Rome with Love (2012), de Woody Allen; Los abrazos rotos (2009), de P. Almodóvar, per la qual guanyà el premi Fotogramas de Plata el 2010; Nine (2009) i Pirates of the Caribbean. On Stranger Tides (2011), de Rob Marshall; Venuto al mondo (2012), de Sergio Castellitto; Los amantes pasajeros (2013), de P. Almodóvar; The Counselor (2014), de Riddley Scott; Ma ma (2015, premi Fotogramas de Plata 2016), de Julio Medem, que li valgué el segon Fotogramas de Plata; Zoolander 2 (2016), de Ben Stiller; La reina de España (2016), de Fernando Trueba; Loving Pablo (2017), de Fernando León de Aranoa; Murder on the Orient Express (2017), de Kenneth Branagh; Todos lo saben (2018, premi Fotogramas de Plata 2019), d’Asghar Farhadi, i Dolor i gloria (2019) i Madres paralelas (2021, Copa Volpi del Festival de Venècia), ambdues de P. Almodóvar.
L’any 2018 rebé un César honorífic i la Medalla d’Or del mèrit en les belles arts del govern espanyol, el 2019 el premi Donostia del Festival de Sant Sebastià a la trajectòria i el 2022 el Premio Nacional de cinematografia. Està casada amb l’actor Javier Bardem.