* Lookin´to Get Out (1982): fue su primera aparición en el cine, y con seis años de edad actúa brevemente cerca del final del filme.
* Ciborg 2 (1993): película de acción en la que aparece como protagonista e interpreta a Casella Reese, un cyborg de espionaje corporativo.
* George Wallace (1997): película para televisión. Por su papel de Cornelia obtuvo un Globo de Oro.
* GIA (1998): filme de HBO en el que encarnó a la modelo Gia Carangi, por ello se adjudicó un Globo de Oro y un premio del Sindicato de Actores.
* Inocencia Interrumpida (1999): gracias a su actuación, como una psicópata internada que busca escapar, logró ganar el Óscar a la mejor actriz de reparto.
* Tomb Raider (2001): interpreta a Lara Croft, fue nominada a un premio Razzie como peor actriz. En el reparto también aparece Jon Voight, su padre.
* Sr. y Sra. Smith (2005): como Jane Smith, actúa junto con su actual esposo, Brad Pitt. En el filme, la pareja trabaja como asesinos a sueldo.
* Todo corazón (2007): basada en una historia real, encarna a Mariane Pearl, esposa del periodista de Wall Street Journal, Daniel Pearl. Fue nominada a un Globo de Oro a mejor actriz de drama.
* El sustituto (2008): gracias a su interpretación de Christine Collins, fue nominada a un Óscar, Premios Bafta, Globo de Oro y al Sindicato de Actores.
* El turista (2011): por su trabajo como la amante de un ladrón que debe al Fisco, fue candidata a un Globo de Oro.
* Maléfica (2014): interpreta a la malvada bruja y hada antagonista del clásico La bella durmiente.