1996年，主演孙文学执导的剧情电影《星星点灯》，在片中饰演因患上骨癌而截肢的女主角陈薇，这是她的首部电影作品，从而正式进入演艺圈；同年，考入了中央戏剧学院表演系。

1998年，被张艺谋选中，在根据鲍十小说《纪念》改编的剧情电影《我的父亲母亲》中饰演清纯可人、心灵手巧的女主角招娣，并凭借该片获得第23届大众电影百花奖最佳女主角奖。

1999年，与周润发、杨紫琼联袂主演由李安执导的武侠动作电影《卧虎藏龙》，在片中饰演长相秀美、武术高强的九门提督之女玉娇龙，该片全球票房最终达到了2.15亿美元，而她则凭借该片获得了美国独立精神奖最佳女配角奖、第13届芝加哥影评人协会奖最佳新人奖、第4届多伦多影评人协会奖最佳女配角奖等多个奖项。

2000年2月，参加中央电视台春节联欢晚会，并表演开场歌舞《把春天迎进来》；同年，与成龙、克里斯·塔克联袂主演动作电影《尖峰时刻Ⅱ》，在片中饰演美丽又凶残的女打手胡莉，从而正式进军好莱坞；此外，她还凭借电影《卧虎藏龙》入围了第27届美国电影电视土星奖最佳女配角奖。

2001年，与郑伊健、张柏芝、古天乐合作出演由徐克执导的古装仙侠电影《蜀山传》，在片中饰演段雷的徒弟程乐天；9月7日，与郑雨盛、朱镇模合作主演的古装动作电影《武士》在韩国上映，在片中饰演朱元璋的幼女芙蓉公主。

2002年，入围第15届美国儿童选择奖最受欢迎女英雄奖、第3届美国青少年选择奖观众票选突破演出奖；12月12日，与李连杰、梁朝伟、张曼玉、陈道明合作主演的武侠电影《英雄》首映，在片中饰演残剑的女仆如月。

2003年7月25日，与刘烨搭档主演的谍战电影《紫蝴蝶》上映，在片中饰演身为地下党紫蝴蝶组织成员的女主角丁慧（辛夏）；同年，凭借电影《英雄》入围第22届香港电影金像奖最佳女配角奖、第8届香港电影金紫荆奖最佳女配角奖。

2004年7月16日，与金城武、刘德华领衔主演的古装武侠电影《十面埋伏》上映，在片中饰演为了替父亲报仇而隐姓埋名委身于牡丹坊卖艺的小妹，并凭借该片获得第11届中国电影华表奖优秀女演员奖；9月28日，其主演的剧情电影《2046》上映，在片中饰演占有心极强的风尘女子白玲；此外，她还获得了第六届CCTV-MTV音乐盛典杰出艺人奖。

2005年2月27日，作为颁奖嘉宾出席第77届奥斯卡颁奖礼，并成为奥斯卡终身评委；3月27日，凭借电影《2046》获得第24届香港电影金像奖最佳女主角奖；5月28日，与小田切让、药师丸博子合作主演的时代电影《狸御殿》在日本上映，在片中饰演来自唐国的公主狸姫；11月29日，其主演的剧情电影《艺伎回忆录》在日本上映，在片中饰演自幼被送去艺伎馆学做艺伎的女主角小百合（千代子）；12月，入围第63届美国电影电视金球奖电影类-剧情类最佳女主角奖。

2006年3月，担任第78届美国奥斯卡金像奖的颁奖嘉宾，并颁发最佳剪辑奖；4月26日，其主演的剧情电影《茉莉花开》上映，在片中一人分饰三角，分别饰演了茉、莉、花三个不同时代的上海女人，并凭借该片获得第24届中国电影金鸡奖最佳女主角奖；5月，担任第59届戛纳电影节主竞赛单元评委，这也是她首次担任评委；9月3日，作为电影《夜宴》的主创出席威尼斯国际电影节；9月15日，其主演的古装宫廷电影《夜宴》上映，在片中饰演意识到权力的重要性并主动追求权力的婉后。

2007年1月，凭借电影《卧虎藏龙》入围香港电影金像奖协会“香港回归十周年”最佳女主角奖；3月31日，获得“世界因你而美丽2006影响世界华人盛典”影响世界华人奖；同年，为好莱坞动画电影《忍者神龟》中的“鬼脚忍者”头领卡拉配音；此外，她还凭借电影《夜宴》入围了第1届亚洲电影大奖最佳女演员奖。

2008年2月，参加中央电视台春节联欢晚会，并独唱歌曲《天女散花》；6月14日，获得第11届上海国际电影节华语电影杰出贡献奖；12月4日，与黎明搭档主演的剧情电影《梅兰芳》首映，在片中饰演性格开阔爽朗的京剧艺人孟小冬 [42]  ，并凭借该片获得第13届中国电影华表奖优秀女演员奖。

2009年3月6日，与丹尼斯·奎德、卢·泰勒·普奇领衔主演的惊悚悬疑电影《骑士》在美国上映，在片中饰演有时天真、有时却目露凶光的华裔女子克里斯汀；5月，担任第62届戛纳电影节短片单元评委；8月，被评为“中国最有品牌影响力的60位明星”；8月14日，与范冰冰、何润东、苏志燮联袂主演的爱情喜剧电影《非常完美》上映，在片中饰演善良、坚强、满脑子奇思妙想的年轻漫画家苏菲，并首次担任电影制片人。

2010年，获得第14届亚洲电影博览会最杰出女演员奖；6月，凭借电影《非常完美》获得第4届大学生影像节最受瞩目女演员奖，并入围了第3届铁象电影大赏最佳女主角奖。

2011年3月15日，与成龙一同担任第一届北京国际电影节形象大使；3月24日，出席中国国际时装周；5月10日，与郭富城、濮存昕、蒋雯丽领衔主演的剧情电影《最爱》上映，在片中饰演因得了热病而不得不离开丈夫的商琴琴，并凭借该片获得第20届上海影评人协会奖最佳女演员奖；12月31日，参加深圳卫视跨年晚会，并演唱歌曲《我只在乎你》，这也是她首次参加跨年晚会。

2012年4月8日，凭借电影《最爱》获得第3届中国电影导演协会表彰大会年度女演员奖；9月，参加CCTV-1“至高荣耀”教师节晚会，并现场演唱了歌曲《春暖花开》；9月27日，与张东健、张柏芝合作主演的爱情电影《危险关系》首映，在片中饰演出身名门、温婉大方的女主角杜芬玉；10月18日，出席第三届纽约中国电影节开幕式。

2013年1月8日，与梁朝伟、张震、宋慧乔领衔主演的动作电影《一代宗师》上映，在片中饰演原名宫若梅、对武术有着与生俱来的天赋和痴迷的宫二先生，并凭借该片获得第50届台湾电影金马奖最佳女主角奖、第33届香港电影金像奖最佳女主角奖 、第32届大众电影百花奖最佳女主角奖等多个奖项；5月，担任第66届戛纳电影节“一种关注”单元评委；6月，被法国文化部授予“法兰西文学艺术骑士勋章”，以表彰她在电影艺术领域的成就；同年，担任湖南卫视歌唱选秀节目《中国最强音》的导师；7月22日，推出个人单曲《梦想长大了》；9月17日，与王力宏、郑恺、关颖联袂主演的爱情喜剧电影《非常幸运》首映，在片中饰演聪明伶俐、喜欢幻想的女主角苏菲，并担任了该片的制片人。

2014年2月，参加江苏卫视科学竞技真人秀节目《最强大脑》；3月28日，获得第八届亚洲电影大奖最佳女主角奖；10月11日，凭借电影《一代宗师》获得第14届华语电影传媒大奖最佳女主角奖；12月2日，由吴宇森执导，章子怡、金城武联袂主演的剧情电影《太平轮（上）》上映，在片中饰演由于种种原因而被迫沦落风尘的女主角于真。

2015年7月30日，其主演的剧情电影《太平轮·彼岸》上映；同年，担任科幻喜剧电影《从天儿降》的制片人；此外，她还出演了汪峰《无处安放》的MV。

2016年2月14日，与彭于晏、佟丽娅、周冬雨联袂主演的爱情电影《奔爱》首映，在片中饰演因失恋而从美国来到日本小樽的苏乐琪；9月9日，作为竞赛单元评委出席第41届多伦多电影节，成为该电影节首位华人女性评委；12月16日，其主演的谍战电影《罗曼蒂克消亡史》上映，在片中饰演王老板的太太小六。

2017年，主演迈克尔·道赫蒂执导的灾难电影《哥斯拉：怪兽之王》；10月，担任浙江卫视演技竞演类励志综艺节目《演员的诞生》的导师。12月21日，章子怡凭借电影《罗曼蒂克消亡史》获得第9届澳门国际电影节金莲花最佳女主角奖。

2018年1月12日，与黄晓明、王力宏、张震、陈楚生主演的青春片《无问西东》上映；9月8日，凭借电影《罗曼蒂克消亡史》中的表现获得第14届中国长春电影节最佳女主角奖；12月18日，获得腾讯视频星光盛典年度电影女演员奖。

2019年，与吴京、井柏然、成龙联袂主演剧情电影《攀登者》；2月14日，与丈夫汪峰作为固定嘉宾参加的夫妻观察治愈节目《妻子的浪漫旅行第二季》在芒果TV播出；5月8日，章子怡成为第72届戛纳国际电影节官方大师班阵容，她是首位获邀的亚洲电影人；5月22日，章子怡宣布担任第32届东京电影节评委会主席；6月16日，获得微博电影之夜微博最具国际影响力演员奖；8月，获得2019福布斯中国100名人榜荣誉。

2020年，以总排名第78位列2020福布斯中国名人榜；9月，担任第45届多伦多国际电影节“大使”；9月，浙江卫视演技竞演类励志综艺《我就是演员第三季》官宣导师章子怡回归；同年，获得新时代国际电影节庆祝新中国成立70周年全国十佳电影女演员奖。11月23日，海南岛国际电影节组委会宣布，章子怡将担任第三届电影节形象大使。

2021年1月7日，章子怡主演的首部剧集《上阳赋》发布首款预告。1月9日，领衔主演的古装历史剧《上阳赋》在优酷视频播出。