文学座退団後、映画界へ本格進出した彼女の名を決定づけたのが、2003年公開の映画『赤目四十八瀧心中未遂』（荒戸源次郎監督）です。寺島しのぶはこの作品で、刺青を背負い過酷な運命を生きるヒロイン・綾を演じ、一切の妥協を排した体当たり演技を披露しました。
映画の現場を目撃した関係者の証言によると、カメラの前に立つ彼女は一切の虚飾を捨て、役柄の魂そのものを憑依させていたといいます。同年に公開された『ヴァイブレータ』（廣木隆一監督）と合わせ、国内の主要映画賞の主演女優賞を総なめにし、第27回日本アカデミー賞最優秀主演女優賞を受賞。名実ともにトップ女優へと駆け上がりました。
さらに2010年、若松孝二監督の戦争ドラマ映画『キャタピラー』において、戦争で四肢を失った軍神の夫を支える妻・シゲ子を演じ切ります。極限状態の人間性を剥き出しにしたこの演技は国際的な絶賛を浴び、第60回ベルリン国際映画祭で最優秀女優賞（銀熊賞）を受賞。日本人女優としては左幸子、田中絹代に次ぐ35年ぶり史上3人目の快挙を達成しました。
当時の映画ファンや批評家のレビューを検証すると、「露出の多さではなく、人間の業を真正面から引き受ける覚悟が美しい」「生身の肉体から放たれる生命力に圧倒される」といった声が圧倒的多数を占めています。自らの肉体を極限まで追い込むことで到達したその美は、日本映画史に深く刻まれることとなりました。
