2004年,汤唯参加环球小姐大赛北京赛区选拔赛,荣获第五名。她当时的参赛宣言是:“希望用自己的健康与美丽来绚丽我的人生。并展现绽放在我热爱的北京,为美丽首都添一份精彩!”虽然没有进入前三甲,更没有捧回任何奖杯,却成为众人瞩目的焦点。2007年在导演李安执导的电影《色·戒》中饰演女主角,该片在威尼斯国际电影节荣获最佳影片“金狮奖”,汤唯因在此片中饰演的民国女大学生王佳芝而一举成名,但也引起争议。2010年出演小成本电影《月满轩尼诗》在中国内地上映成功“解禁”,并获得华语电影传媒大奖最佳女演员奖。2013年主演《北京遇上西雅图》刷新华语都市爱情片票房纪录,并荣获了第上海影评人奖、中国电影导演协会、北京大学生电影节最佳女演员等奖项。