2007年8月31日，电影《色·戒》亮相威尼斯，汤唯与李安、梁朝伟等一道踏上影展的红地毯。首映过后，汤唯博得了海内外媒体的称赞，声势一度超过了梁朝伟，最终影片获得最高奖“金熊奖”。 在2007年12月8日举办的第44届台湾电影金马奖上，汤唯荣获最佳新人奖。虽然《色·戒》使得汤唯在华语影坛以及西方影视界获得关注，但该片中几段激情戏使得汤唯和男主角梁朝伟倍感压力。汤唯其后赴英国学习短期的戏剧表演，通过香港政府的“优秀人才入境计划”获取香港居民身份证。27件旗袍，重塑一株海上花。有心人仔细计算过，汤唯在《色·戒》里前前后后共换了27件旗袍，让人看得叹为观止，已打破当年《花样年华》中张曼玉换了23件旗袍的纪录。 有评论说，王家卫《花样年华》里的旗袍符合他颓废浪漫的格调，而李安在《色·戒》中不是故意玩气氛，而是透过旗袍的样式与质料，点出女主角汤唯所面对环境的改变。 经过数个月“淑女课堂”的调教培训，汤唯饰演的王佳芝袅袅婷婷走出来时，让人眼前一亮。 她身材高挑匀称，穿起旗袍来透着一股古典性感。 有影迷表示，《色·戒》中汤唯的旗袍，让人有更上一层的感觉，“将生活与电影融为一体，巧妙安排之下感受到的是不抢功、内敛。” 好莱坞科幻片导演Caroline Ducrocq对媒体表示，他对《花样年华》里出色的服装印象深刻，不过《色·戒》强调人性，汤唯在戏中的衣服，很适合她扮演的角色。
2001年台湾戏剧之父赖声川来到中戏做客席讲座，院里选中了1999级和2000级导演系的几个学生参与排演，就是后来在人艺小剧场上演了一场的《如梦之梦》的一个半小时片段。汤唯的角色是五号病人的妻子A。她的表现和踏实作风赢得了赖声川的喜爱，赖声川走的时候托付戏剧制作人袁鸿好好关照她。2005年话剧《切·格瓦拉》复排选角时，袁鸿把汤唯带过来给导演杨婷看。杨婷认为汤唯“身上很干净，就有那么种正气，特像革命女战士”，因此选定她出演正方女一号。后来杨婷带着汤唯去韩国演出《切·格瓦拉》，汤唯的脚扭伤了，坚持把几场戏演完，一个人把戏剧节所有的话剧都看了。电视剧《警花燕子》的导演张菁就是在看完《切·格瓦拉》后决定让汤唯来出演燕子一角，这个角色让汤唯获得了生平第一个女演员奖——2005年第6届数字电影百合奖优秀女演员。
2006年夏天，刚刚凭《断背山》获得奥斯卡最佳导演的李安宣布回归华语电影，筹拍由张爱玲短篇小说改编的电影《色·戒》，为了能够找到适合王佳芝的演员，李安开始在两岸三地大规模选角。当时还是无名小演员的汤唯在北京参加面试，被香港演员导演Rosanna推荐给了李安，李安在北京约谈汤唯两次，又向赖声川电话征求意见。其后汤唯被带到上海进行训练，唱苏州评弹、学习打麻将，而后又分别在北京和香港进行魔鬼式训练，学习上穿旗袍高跟鞋、看电影、苦读史料级各类书籍，每天近10个小时、历时3个月训练之后，李安满意后，终于签订合同。《色·戒》9月开机，一共拍了118天戏，114天都在拍汤唯。李安把整部戏的成败押在新人汤唯身上，但汤唯顶住压力全情投入。