2004年公開の『ママの遺したラヴソング』で再びゴールデングローブ賞 主演女優賞（ドラマ部門）にノミネート。

2005年には『アイランド』で初のサマーシーズンの大作映画でユアン・マクレガーと共に主演を務めるが、作品は興行的に奮わず失敗作となり、フィルムメーカーから失敗の責任を押し付けられてしまった[8]。一方、同年公開のウディ・アレン監督作『マッチポイント』がスマッシュヒットし、ゴールデングローブ賞 助演女優賞にノミネート。以後、アレンの監督作の常連となる。

2006年にはトム・クルーズ主演の『M:i:III』にも出演する予定であったが、製作の遅れに伴い降板。一説ではクルーズにサイエントロジー入信を迫られたためとも報道された[9]（ちなみに演じる予定だった役にはケリー・ラッセルが起用された）。また、同年公開された『ブラック・ダリア』では批評家からミスキャストと評された[10]。

2010年1月にアーサー・ミラーの戯曲『橋からの眺め』でブロードウェイデビューを果たし、トニー賞演劇助演女優賞を受賞[11]。

2010年、スケジュールの都合で降板したエミリー・ブラントの代役として『アイアンマン2』にナターシャ・ロマノフ / ブラック・ウィドウ役で出演した[12]。メインキャストとして出演した2012年の『アベンジャーズ』が世界興行収入歴代3位（当時）の15億ドルを超える特大ヒットとなり、2015年の『アベンジャーズ/エイジ・オブ・ウルトロン』も14億ドルを突破する。ヨハンソンはセクシー＆グラマーな美しいスパイを演じて人気を集め、一躍ブロックバスター映画のスターダムに躍り出た。ヨハンソンの主演作は早くから企画されていたものの、実現しないままだったが、2019年7月に開催されたコミコン・インターナショナルにて、正式に単独作『ブラック・ウィドウ』が公開されることが発表された[13]。また、制作としてもマーベル・スタジオのタイトル未定の新作にも取り組んでいる[14]。2013年、サンディエゴ・コミコンにて

2013年公開の映画『her/世界でひとつの彼女』では主人公が恋をする人工知能型OS・サマンサの声を演じ、声のみの出演にもかかわらず、クリティクス・チョイス・アワード助演女優賞にノミネートされるなど高い評価を得た。2014年、第39回セザール賞にて

2016年、映画興行情報サイトのBOX Office Mojoが発表した「史上最も興業収益を上げた俳優・女優ランキング」で、第10位（女優では第1位）を獲得[15]するなど、美貌と実力を兼ね備えたハリウッド女優として着実なキャリアを築いている。