W 1999 partnerowała Melowi Gibsonowi w filmie sensacyjnym Godzina zemsty. U boku Jackie Chana i Owena Wilsona zagrała księżniczkę Pei Pei w Kowboju z Szanghaju (2000). Wraz z Cameron Diaz i Drew Barrymore była też jednym z trzech tytułowych Aniołków Charliego (2000, 2003).
Charakterystyczną rolą była także postać pięknej i demonicznej mistrzyni miecza O-Ren Ishii w filmie sensacyjnym Quentina Tarantino Kill Bill (2003, 2004). Od 2012 występuje w serialu Elementary, stworzonym na podstawie powieści Arthura Conana Doyle’a o Sherlocku Holmesie, w którym gra dr Joan Watson, u boku Jonny’ego Lee Millera.
Zajmuje się dubbingiem; podłożyła głos księżniczce Mei w Mulan II (2004), Żmii w Kung-Fu Pandzie (2008, 2011, 2016) oraz Mgiełce w Dzwoneczku (2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2014).
W 2019 roku, aktorka otrzymała gwiazdę na Hollywood Walk of Fame, zostając tym samym drugą w historii Amerykanką azjatyckiego pochodzenia, która tego dokonała.