Studio Ghibli Studio Ghibli ogłosiło we wrześniu 2001 roku, że Hosoda miał wyreżyserować film Ruchomy zamek Hauru, którego premierę planowano na lato 2003 roku. Jednak produkcja filmu przeciągnęła się z powodu różnic twórczych. Według Hosody, „kazano mu zrobić [film] podobny do tego, jaki zrobiłby go Miyazaki, ale [on] chciał zrobić [swój] własny film w sposób”. Ostatecznie Hosoda odszedł ze studia latem 2002 roku, podczas wczesnych etapów produkcji, po tym, jak nie był w stanie znaleźć koncepcji akceptowalnej dla szefów Studia Ghibli.
Powrót do Toei i praca w Madhouse Po odejściu z Ghibli, Hosoda wrócił do Toei, gdzie pracował nad kilkoma animacjami we współpracy z artystą Takashim Murakami. W tym czasie wyreżyserował odcinek serialu anime Ojamajo Doremi, który został zainspirowany jego burzliwym czasem w Ghibli. Ten odcinek przyczynił się do tego, że został zatrudniony w studiu animacji Madhouse, w którym pracował od 2005 do 2011 roku.
W Madhouse Hosoda zdobył uznanie krytyków jako reżyser, szczególnie dzięki filmowi O dziewczynie skaczącej przez czas z 2006 roku (który zdobył Nagrodę Japońskiej Akademii Filmowej w kategorii Animacja Roku w 2007) i Summer Wars z 2009 roku (który zdobył tę samą nagrodę w 2010 roku).