1999年，安妮·海瑟薇与杰西·艾森伯格合作出演了电视剧《Get Real》，尽管该剧一季便被砍掉，但安妮却被当年的青年艺术家奖提名为最佳表演奖，并开始在演艺界崭露头角。

2000年，在《公主日记》试镜时，安妮意外地从椅子上摔下，结果反而被导演一眼相中，得到了扮演主角米娅的机会。影片讲述了一个普普通通的女孩儿在皇后的教导下蜕变为公主的故事。安妮也凭借此片一炮而红。

2005年，安妮出演独立影片《历劫俏佳人》，第一次挑战裸戏 。这部限制级的电影描绘了富裕的高校女生试图涉水黑帮文化的故事。该片完全颠覆了海瑟薇在《公主日记》中的形象，她饰演的女主角随便、放荡、满口粗话。

同年，安妮出演了由李安执导的《断背山》，饰演男主杰克的炮灰妻子露琳。该片讲述了两个男人之间复杂的情爱关系。而她对露琳俗气、泼辣的演绎，也让她成功突破了以往的公主形象。

2006年，安妮和梅丽尔·斯特里普搭档，合作出演了《穿普拉达的女王》。影片讲述了一个刚离开校门的女大学生，进入了一家顶级时尚杂志社当主编助理的故事。而这部全球大卖3.26亿美元的电影使得安妮·海瑟薇在好莱坞受到瞩目。

2007年，安妮搭档詹姆斯·麦卡沃伊主演了《成为简·奥斯汀》，影片讲述了英国文学史上著名的女作家简·奥斯汀的感情故事，安妮虽然因口音问题被吐槽，却将女主人公面对爱情的勇敢和无奈刻画的栩栩如生。

2008年，安妮出演了由乔纳森·戴米执导的剧情电影《蕾切尔的婚礼》。影片讲述了刚从戒毒康复中心出来的凯姆（安妮饰）去参加姐姐婚礼的经历。在这部影片中，复杂的对手戏和对一个内心有着伤痛和隔阂的女性的心理诠释，使她拿到了奥斯卡最佳女主角的提名。

2010年，她加盟了个性导演蒂姆·波顿的新片《爱丽丝梦游仙境》，在片中饰演开朗活泼却又有少许调皮腹黑的白皇后。随着该片创下10亿美元票房，安妮被《福布斯》杂志选为“性价比最高”的女星。

2012年，安妮在《蝙蝠侠：黑暗骑士崛起》中饰演猫女塞琳娜·凯尔，这个亦正亦邪、香艳神秘的角色使她获得了第15届青少年选择奖最佳动作电影女演员。

同年，安妮出演了《悲惨世界》中的妓女芳汀一角，除了要完成高难度的演唱之外，这个角色让原本身材就很纤细的安妮再次陷入“减肥地狱”——短短三周内减掉16磅。同时还因情节需要而剃短了头发，以苍老凄凉的造型示人。而该角色也为她拿下奥斯卡金像奖、金球奖、美国演员工会奖、美国影评人协会奖、英国电影学院奖等奖项的最佳女配角。

2014年，安妮与马修·麦康纳合作出演了由诺兰执导的原创科幻冒险电影《星际穿越》，饰演女科学家艾米莉亚。影片讲述了面对环境日益恶化的地球，为了寻找延续生命希望的机会，探险队员们穿越虫洞开启了前所未有挑战的故事。

2018年，产后复出的安妮出演了剧情电影《瞒天过海：美人计》。影片讲述了黛比与好友一起网罗顶尖高手，准备在时尚盛会上盗取价值一亿五千万美金的钻石项链的故事。安妮在其中饰演声名狼藉、自私自利的电影明星达芙妮。