W 2019 pojawiła się w filmie Quentina Tarantino Pewnego razu... w Hollywood podejmującym tematykę morderstw grupy Charlesa Mansona, gdzie wcieliła się w postać aktorki Sharon Tate, za co w 2020 otrzymała nominację do Nagrody Brytyjskiej Akademii Filmowej (BAFTA) w kategorii „najlepsza aktorka drugoplanowa”. W tym samym roku otrzymała również nominacje do Oscara, Złotego Globu, nagrody BAFTA oraz Nagrody Gildii Aktorów Ekranowych za najlepszą rolę drugoplanową w filmie Gorący temat.
Robbie rozpoczęła nową dekadę, powracając do roli Harley Quinn w filmie Ptaki Nocy (2020) w reżyserii Cathy Yan. Zdeterminowana, by stworzyć kobiecy zespół w kinie akcji, przedstawiła ten pomysł wytwórni Warner Bros. już w 2015 roku. Przez kolejne trzy lata Robbie rozwijała projekt pod szyldem swojej firmy produkcyjnej, czyniąc szczególne starania, by zatrudnić kobietę na stanowisku reżyserki i scenarzystki. Film Ptaki Nocy, podobnie jak występ samej Robbie, zebrał ogólnie pozytywne recenzje;