2000年，赵涛被导演贾樟柯选中出演电影《站台》，在片中饰演80年代的女青年殷瑞娟，她的表演完全没有技巧性，很生活化，该片获得2000年威尼斯国际电影节最佳亚洲电影奖。

2002年，凭借在电影《任逍遥》中出演的舞蹈艺人巧巧一角入围戛纳国际电影节最佳女主角。

2004年，主演的影片《世界》参加威尼斯电影节，成为该年唯一进入竞赛单元的华语片，赵涛也第二次入围了最佳女演员的争夺。

2006年，主演的电影《三峡好人》获得第63届威尼斯电影节最佳影片金狮奖，中国电影史上的又一里程碑，该片还获得了第34届洛杉矶影评人协会奖最佳外语片和最佳摄影两个奖奖项 。同年赵涛被美国林肯中心评选为全球年度最佳女演员五十佳之一。

2007年，担任纪录片《无用》监制，该片获得了第64届威尼斯国际电影节最佳纪录片。

2009年，首次出演电视剧，与张国立、张嘉译共同主演四川方言剧《大生活》，在剧中饰演命运坎坷的老板娘一角。

2010年，出演艾萨克·朱利安导演的电影《Better life》，与张曼玉共同演出东方韵味，影片入围第67届威尼斯电影节地平线单元。同年出演的电影《海上传奇》获美国夏威夷国际电影节最佳纪录片奖。

2012年，年初在意大利阿斯蒂电影节上，赵涛凭借意大利导演安德烈 ·塞格莱执导的剧情长片《我是丽》获得最佳女主角奖，这也是赵涛从影以来，首次在国际影展上摘得影后桂冠，随后赵涛还获得了意大利电影金像奖最佳女主角和和阿斯蒂电影节最佳女主角奖，成为首位获得意大利电影最高奖项的中国演员，并入围比利时国际电影节最佳女主角，同时该片最终获得本届影展的最佳影片，以及南尼·莫雷蒂电影奖最佳女演员奖。11月，出任罗马国际电影节评委。

2013年，主演的电影《天注定》入围第66届戛纳国际电影节金棕榈奖。

2015年10月30日，领衔主演贾樟柯编剧执导的家庭剧情现实题材的电影《山河故人》上映。

2018年9月21日，与廖凡、徐峥合作主演的犯罪爱情电影《江湖儿女》上映，片中饰演女主角巧巧，凭借该片获得第54届芝加哥国际电影节最佳女演员银雨果奖；11月9日，凭借在电影《江湖儿女》中的表演获得第25届明斯克国际电影节最佳女演员奖。