Następnie kontynuowała karierę grając w filmach.
W 2000 roku wystąpiła w komedii romantycznej Miłość w Nowym Jorku u boku Richarda Gere'a i Winony Ryder. Cztery lata później za udział w niezależnym filmie Aż do kości otrzymuje nagrodę specjalną Jury Sundance Film Festival i nominację do Independent Spirit Awards. W tym samym roku występuje w filmie Kandydat u boku Meryl Streep i Denzela Washingtona. Przełomem w jej karierze okazał się występ w filmie Martina Scorsese Infiltracja w 2006 roku, obraz otrzymuje Oscara dla najlepszego filmu. W tym samym czasie Farmiga wzięła udział w filmie Rozstania i powroty wraz z Juliette Binoche i Jude’em Lawem. W 2008 roku zagrała w filmie Chłopiec w pasiastej piżamie u boku Davida Thewlisa. Za rolę w tym niezależnym dramacie Vera otrzymała nagrodę British Independent Film Award dla najlepszej aktorki.
W 2009 roku aktorka zagrała u boku George’a Clooneya i Anny Kendrick w obrazie W chmurach w reżyserii Jasona Reitmana. Za rolę Vera otrzymała nominację do Oscara, Złotego Globu i nagrody Gildii Aktorów Filmowych dla najlepszej aktorki drugoplanowej. W tym samym roku pojawiła się w horrorze Sierota jako Kate Coleman
W latach 2013–2017 występowała w serialu Bates Motel.