2000年，黃奕主演根據中國台灣女作家席絹同名小說改編的電視劇集《上錯花轎嫁對郎》，劇中飾演角色“李玉湖”。

2003年，黃奕與古巨基、周傑、馬伊琍、黃曉明等演員合作主演電視劇《還珠格格第三部天上人間》。在此期間，黃奕還主演了電視版的《卧虎藏龍》。

2004年，黃奕出演了由上海海潤影視制作有限公司、上海電影集團、香港成龍影業有限公司、文新報業集團聯合投資制作，香港導演關錦鵬執導的電視劇《長恨歌》的第一女主角“王琦瑤”，并在同名電影中出演重要角色。劇組還特地爲黃奕推出了真人版漫畫，從而使之成爲推出漫畫集的第一位中國女星。

2005年年底，黃奕加盟全球最大的唱片公司Sony BMG，正式進軍歌壇，并推出了首張專輯《第一個夏天》，專輯銷量達到30多萬張。由于這張專輯，黃奕在2006年獲得了“雪碧中國原創音樂榜”優秀新人獎、廣州金曲金榜地“内地2005年度金曲獎”、福建“第三屆東南勁爆音樂榜”的“内地最佳唱作女歌手”獎項。

2006年出演“民國第一悲劇”，鴛鴦蝴蝶派代表作《秋海棠》改編的3同名電視連續劇，首次挑戰年齡跨度長達40歲的角色。

2007出演巴金名著《家》劇中飾演瑞珏，轉型成功。同年，黃奕與北京保利博納電影發行公司高調簽約。6月5日，在首屆國産電影新人新作展中榮獲2006年度新銳演員獎。9月參演古裝黑色幽默片《神工》，出演角色唐小蝶。出演劉德華投資的電影《兄弟之生死同盟》，片中飾演苗僑偉的女友律師莊晴。11月，參與拍攝由賈樟柯監制、餘力爲導演的新片《塑料城市》。

2008年憑借黃奕憑借《蕩寇》入圍第65屆威尼斯影展；參演電影《十全九美》，黃奕扮演的民女唐小蝶。參與并擔任主演央視假日劇《青春舞台》。

2009年參演電影《倔強的蘿蔔》，黃奕飾演角色趙玥。

2010年1月參演電影《武林笑傳》，飾演“風情”女掌櫃。

2011年參演電影《一路有你》、《竊聽風雲2》、《競雄女俠秋瑾》、《東成西就2011》等。與劉德華一同出演的《兄弟之生死同盟》；2011年黃奕所出演的影片總票房已超過4億元人民币。2012年參演3D籃球題材勵志電影《神奇》，黃奕出演籃球寶貝。

2012年6月，黃奕首部自導自演的微電影《交換》在上海電影節手機電影節上亮相，這是黃奕首次以導演的身份參與微電影拍攝。2013年參演電影《毒戰》，劇中飾演幹練潇灑的緝毒警小貝。同年在電影《竊聽風雲3》，黃奕将首次嘗試黑幫大姐大的角色；同年參演電影《史前怪獸》。

2014年5月29日，客串出演電影《竊聽風雲3》中國上映。

2015年7月1日，黃奕主演的電影《默守那份情》在中國上映。

2015年，參演曆史文化電影《國酒》。

2017年，黃奕參演都市愛情片《識色，幸也》在劇中飾演邝原曦。

2019年6月21日，參演的電影《碟仙》播出，飾演單親媽媽夢瑤。