En 2008, elle remporte de nombreuses récompenses grâce à son interprétation d'Edith Piaf dans le film La Môme, dont un César, un Golden Globe, un BAFTA et un Oscar. Elle devient la troisième Française à être désignée « meilleure actrice » par la prestigieuse Académie hollywoodienne des Oscars, après Claudette Colbert en 1935 et Simone Signoret en 1960, mais la première à obtenir ce prix pour un film tourné en langue française. Il lui ouvre les portes des studios outre-Atlantique et lui permet de tourner avec de grands réalisateurs américains et britanniques (Michael Mann, Woody Allen, Rob Marshall, Christopher Nolan, Steven Soderbergh, James Gray).