2007年之前她還只能在話劇舞臺中出演，或是在影視劇中跑龍套。2006年憑藉電影《斷背山》，獲得奧斯卡最佳導演的李安宣布回歸華語電影，籌拍由張愛玲短篇小說改編的電影《色·戒》，為了能夠找到適合王佳芝的演員，李安開始在兩岸三地大規模選角。

當時在演藝圈並無名氣的湯唯在北京參加面試，與眾多演員共同參與片前培訓。湯唯被帶到上海進行訓練，唱蘇州評彈、學習打麻將，而後又分別在北京和香港進行魔鬼式訓練，學習上穿旗袍高跟鞋、看電影、苦讀史料級各類書籍，每天近10個小時、歷時3個月訓練之後，李安滿意後最終才選定由湯唯主演《色.戒》。

在影片拍攝過程中一場與梁朝偉的激情戲，李安為了照顧湯唯為她找來裸替，為了使影片表達更完美，湯唯拒絕了使用裸替的建議。

2007年電影《色·戒》亮相威尼斯，首映過後，湯唯博得了海內外媒體的稱讚，聲勢一度超過了梁朝偉，最終影片獲得最高獎「金熊獎」。同年在第44屆臺灣電影金馬獎上，湯唯榮獲最佳新人獎。

雖然《色·戒》使得湯唯在華語影壇以及西方影視界獲得關注，但片中的激情戲使湯唯倍感壓力。一時間湯唯成了飽受非議的演員，廣電總局也將她列入封殺名單，整個2008年演藝事業完全陷於停頓。

2010年湯唯與張學友主演《月滿軒尼詩》在內地上映，也正是電影順利的上映，宣告湯唯被解禁。此後在多部作品中擔任主角，憑藉過硬的演技不僅票房飄紅，也得到了觀眾的認可。

如今湯唯憑藉演技，不僅成功晉級中國一線女明星，而且片約不斷僅2015年就有5部電影上映。與吳秀波的新作《北京遇上西雅圖2》成為2016年最期待電影之一。

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