モデルとして人気を博す一方、女優としての宮崎あおいは極めてストイックなアートフィルムの世界でその才能を開花させました。2000年に公開された青山真治監督の映画『EUREKA（ユリイカ）』でトラウマを抱える少女役を演じ、カンヌ国際映画祭で国際批評家連盟賞を受賞。さらに2002年、塩田明彦監督の映画『害虫』で思春期の孤独と揺らぎを生々しく演じ切り、ナント三大陸映画祭で主演女優賞を弱冠16歳で獲得するという快挙を成し遂げました。
そんなインディペンデント映画界のミューズが国民的メガヒットの渦中に飛び込んだのが、2005年公開の映画『NANA』です。中島美嘉演じる大崎ナナと対照的な、天真爛漫で少し依存体質な「小松奈々（通称：ハチ）」役を演じ、原作ファンからも「漫画からそのまま飛び出してきたかのような完璧なシンクロ率」と絶賛されました。同作は興行収入40億円を突破する社会現象となり、彼女の愛くるしい笑顔とファッションは当時の街中に溢れかえりました。
そして2008年、彼女のキャリアを決定づけたのがNHK大河ドラマ『篤姫』です。当時としては大河ドラマ歴代最年少となる22歳1ヶ月での主演抜擢という重圧を背負いながら、薩摩の元気な少女時代から幕末の大奥を率いる総帥としての晩年までを圧倒的な説得力で演じ切りました。全50回の平均視聴率は24.5%（関東地区・ビデオリサーチ調べ）を記録し、名実ともに日本を代表するトップ女優としての地位を不動のものにしたのです。
