2006年,出演影片《汉江怪物》,扮演射击运动员南珠,在剧中裴斗娜花了三个月的时间练习射箭技术,所有射箭场面她都亲历亲为,亲身上阵,获得了本届韩国电影青龙奖的“最佳女配角”提名。同年,裴斗娜接演了爱情剧《突然某一天》,扮演在日本的侨胞女漫画家山口花。2009年,裴斗娜与ARATA、板尾创路主演了由是枝裕和执导的爱情科幻片《空气人偶》,饰演充气娃娃,该片改编自业田良家的漫画,获得日本奥斯卡优秀女主演奖。同年,裴斗娜出版了在伦敦亲自拍摄的相片和旅行所感在内的旅行摄影集《娜的伦敦之行》。2010年,与金秀路主演了由柳贤基执导喜剧《学习之神》。