Folder5の活動休止後、八雲学園高等学校在学中の2003年9月から『ゼベック・オンライン』のアシスタントとして本名の「満島ひかり」名義で芸能活動を再開。司会・グラビア・タレント活動を経て現在の女優業に転向した。この間、2004年4月にヴィジョンファクトリー（現・ライジングプロダクション）の子会社「ぱれっと」に、2009年にユマニテに移籍。

『ウルトラマンマックス』で金子修介に抜擢され、主演舞台も用意されるなど一部では注目されたが長らく芽が出なかった。転機となったのは映画『愛のむきだし』。当時ほとんど無名ながら「もはや狂気とも呼べる領域に達した満島の芝居に全てが圧倒された」[6]と園に言わしめた演技が高く評価され、作品の話題性と相まって知名度が急上昇。同作品で報知映画賞、ヨコハマ映画祭、毎日映画コンクールなど、その他多くの映画新人賞を受賞、キネマ旬報賞では助演女優賞を獲得。その後も映画『プライド』、『カケラ』[注釈 1]、『悪人』、ドラマ『モテキ』などに出演した。

2010年、主演を務めた『川の底からこんにちは』でヨコハマ映画祭主演女優賞とエランドール賞新人賞を受賞した。『悪人』で第34回日本アカデミー賞 優秀助演女優賞をはじめとする多数の賞を受賞。このほか、テレビドラマ4本映画2本に出演した。

2011年7月期、『それでも、生きてゆく』で連続ドラマ初ヒロインを務め、『おひさま』にも出演した。同年末にはドキュメンタリーのナレーターを2度務めた。このほか、3本の映画、1本のテレビドラマに出演（うち2本は3D映画）にも出演。映画『一命』で第35回日本アカデミー賞 優秀助演女優賞を受賞。

2012年、『開拓者たち』で主演を務めた。映画『北のカナリアたち』に出演し3年連続となる第36回日本アカデミー賞 優秀助演女優賞を受賞。このほか、舞台1本に出演。

2013年、民放初主演となる7月期ドラマ『Woman』での演技が高評価を得、放送文化基金賞 演技賞を含む3つの賞を受賞した（受賞歴参照）。このほか、『100万回生きたねこ』を含む舞台3本、映画1本に出演した。

2014年、『若者たち2014』、10月期『ごめんね青春!』と2期つづけて連続ドラマでヒロインを務めた。初のボクサー役を務めたドラマ『おやじの背中』第2話「ウエディング・マッチ」が平成26年度文化庁芸術祭賞テレビドラマ部門で優秀賞を受賞している[7][8]。同年はほかに映画1本に出演している。

2015年、蜷川幸雄80周年記念シェークスピア舞台公演『ハムレット』にオフィーリア役で出演。レアティーズ役は弟が務めた[9]。また映画『駆込み女と駆出し男』に出演し、第39回日本アカデミー賞 優秀助演女優賞を受賞。また『ど根性ガエル』ではピョン吉の声を演じた。同年11月22日には、単独としては初パーソナリティを務める「J-WAVE SELECTION HELLO MY HONEY」がJ-WAVEで放送された。ゲストには友人の安藤サクラとEGO-WRAPPIN'の中納良恵が登場し、安藤とともに坂元裕二書き下ろしのショートラジオドラマを発表するなどのコーナーを設け、J-WAVEでの初ナビゲートを務めた[10]。

2016年に入ると、1月に『シリーズ・江戸川乱歩短編集』の第一弾「1925年の明智小五郎」がNHK BSプレミアムで放送され、満島は3話通して明智小五郎の役を演じた。『トットてれび』で主演・黒柳徹子役を務め、同作で多数の賞を受賞している（受賞歴参照）。舞台では『かもめ』に出演。年末には再び『シリーズ・江戸川乱歩短編集』第二弾「妖しい愛の物語」が放送された。また同年公開の映画『ONE PIECE FILM GOLD』で、カリーナ役として初めて声の出演を果たした。

2017年には、1月期の『カルテット』、7月期の『監獄のお姫さま』と、一期またいで立て続けに出演。映画では『愚行録』、『海辺の生と死』に出演し、多数の賞を受賞した（受賞歴参照）。第54回ギャラクシー賞では前年からの活躍によってテレビ部門個人賞を受賞し、また第43回放送文化基金賞では史上3人目となる2度目の演技賞を受賞した。4月から6月にかけては、自身が初のラジオパーソナリティを務めるラジオ番組『おとなの自動車保険 presents 光のメロディー』がJFN加盟38局で放送され、またアニメ映画『メアリと魔女の花』で赤毛の魔女役で声優を務たほか、一本の舞台で主演を務めた。

2018年3月1日、所属事務所のユマニテから独立し、フリーで活動していくことが発表された[3]。同年末には、『シリーズ・江戸川乱歩短編集』第三弾「満島ひかり×江戸川乱歩」が放送された。

2021年6月、満島が1人6役を演じた長崎県南島原市の観光ムービー「突撃！南島原情報局【神回】」が、アジア最大の国際短編映画祭「ショートショートフィルムフェスティバル」の観光映像大賞部門において最高賞の観光庁長官賞を受賞した[11]。

2022年4月期、『未来への10カウント』に出演。テレビ朝日系連続ドラマにレギュラー出演するのは初である[12]。
音楽活動

folder5時代はバックダンサー的な存在だったが、他人の楽曲を歌うTHE夜もヒッパレ出演経験や自身本来の歌唱力を活かしてモノマネ番組にも出演していた。ネタは中島美嘉、浜崎あゆみ、華原朋美などで、華原は本人登場で共演を果たしたが、安田大サーカスの千と千尋の神隠しに負けている。元々は藤川なお美（AKINA）とジェニーいとう（MOE）がマネした時に本人登場で出演し、その時に浜崎のモノマネが出来るという事で出演する様になった。

2015年11月、「中島みゆき RESPECT LIVE 歌縁（うたえにし）」で、Folder5時代以来13年ぶりにライブステージに立った[13]。

2017年には、『カルテット』の主題歌「おとなの掟」の歌唱に加わり、またMONDO GROSSOの14年ぶりの新曲「ラビリンス」に参加。『ミュージックステーション』や「FUJI ROCK FESTIVAL '17」のMONDO GROSSOのステージなどにも登場し「ラビリンス」を披露した[14]。同曲のMVのYouTubeでの再生回数は、2021年10月現在3000万回を突破している。またCHARAのニューアルバム『Sympathy』に収録されている「Tiny Dancer」のMVにも出演。そのほか、自身が主演を務めた映画『海辺の生と死』にインスパイアされ、以前から親交のあったEGO-WRAPPIN'に楽曲制作をオファーした「群青」をリリースした[14]。