Zagrała Catherine Girard w dreszczowcu psychologicznym Intruz (The Intruder, 1999) z Nastassją Kinski, Molly Parker i Johnem Hannah. W 2000 otrzymała drugi w jej karierze Cezar, tym razem w kategorii „Najlepsza aktorka drugoplanowa” za rolę Milli Robin w Gwiazdkowy deser (La Bûche, 1999) z Sabine Azémą i Emmanuelle Béart. Gainsbourg regularnie występowała też w filmach reżyserowanych przez jej partnera Yvana Attala, m.in. w komedii romantycznej Moja żona jest aktorką (2001) i dramacie I żyli długo i szczęśliwie (2004).
Jej amerykańskim debiutem był dramat kryminalny Alejandro González Iñárritu 21 gramów (2003) u boku Seana Penna, Naomi Watts i Benicio del Toro. Potem wystąpiła w komedii Michaela Gondry’ego Jak we śnie (La Science des rêves, 2006) z Gaelem Garcíą Bernalem i biograficznym dramacie muzycznym Todda Haynesa I’m Not There. Gdzie indziej jestem (2007) u boku Heatha Ledgera i Christiana Bale.