Mặc dù Peña đã thường xuyên được tham gia các phim độc lập từ năm 1994, màn biểu diễn mang tính đột phá nhất của ông đến từ hai bộ phim hay nhất giải Oscar, Million Dollar Baby (2004) and Crash (2005). Cựu đạo diễn là Clint Eastwood, và sau này được đạo diễn bởi Haggis. Do cả hai bộ phim được phê bình đánh giá cao, Peña nhận được sự chú ý cho thực hiện đầy cảm xúc của mình trong Crash.

Năm sau, ông đã xuất hiện trên hàng loạt chiến thắng Quả cầu vàng, The Shield. Năm 2006, anh đóng vai chính trong bộ phim Oliver Stone dựa trên các cuộc tấn công 11 tháng 9, năm 2001, Trung tâm Thương mại Thế giới. Ông cũng đã có một vai diễn nhỏ trong đề cử giải thưởng Oscar và Quả cầu vàng, phim Alejandro González Iñárritu của Babel. Điều này mang lại cho ông sự khác biệt hiếm hoi là đã từng xuất hiện trong ba bộ phim được đề cử Oscar liên tiếp. Ông cũng đóng vai chính cùng với Mark Wahlberg trong Shooter (2007). vai người nhân viên FBI Nick Memphis.

Năm 2006, Peña đóng vai chính trong bộ phim Walkout của Sal Castro, đài HBO, một giáo viên trung học Mexico-Mỹ, những người truyền cảm hứng cho một nhóm học sinh trung học ở Đông LA để đấu tranh cho quyền Chicano. Năm 2009, anh đóng vai một nhân viên bảo vệ trung tâm cùng với Seth Rogen trong Observe and Report. của Jody Hill.

Năm 2012, anh đóng vai chính với Jake Gyllenhaal, vai một sĩ quan cảnh sát Los Angeles, trong phim End of Watch. Cùng năm đó, ông bắt đầu quay phim Chávez, một bộ phim tiểu sử về cuộc đời của lãnh đạo lao động Mỹ, César Chávez, người sáng lập ra United Farm Workers. Peña đóng vai vai Chávez. Ông xuất hiện cùng Brad Pitt, Shia LaBeouf, Logan Lerman, và Jon Bernthal trong bộ phim hành động chiến tranh thế giới II- Fury (2014), và vai Luis trong Ant-Man (2015).

Peña cũng lồng tiếng cho nhân vật Ricky trong loạt hoạt hình hài Chozen. Ông cũng đã thành lập ban nhạc rock Los Angeles, Nico Vega vào năm 2005, được đặt tên sau khi mẹ anh Nicolasa. Ông rời ban nhạc năm 2007 để tập trung vào sự nghiệp diễn xuất của mình nhưng đồng sáng tác ca khúc, "Beast" mà đạt # 26 trên bảng xếp hạng Billboard Hot Songs Rock.