Năm 1999, đạo diễn Trần Anh Hùng đã mời Hải Yến, khi đó mới 17 tuổi, tham gia bộ phim "Mùa hè chiều thẳng đứng". Bộ phim đã được đề cử giải Chlotrudis vào năm 2002.

Năm 2000, Hải Yến xuất hiện trong bộ phim "Vũ khúc con cò" của đạo diễn Nguyễn Phan Quang Bình và Jonathan Foo. Bộ phim được giải phim xuất sắc nhất tại liên hoan phim Milan năm 2002 và được đề cử Giải thưởng Lớn (Grand Prix) tại liên hoan phim Paris năm 2003.

Năm 2001, Hải Yến trở thành nữ diễn viên hàng đầu tại Việt Nam khi cô vượt qua trên 2000 ứng cử viên khác cho đóng vai nữ chính (Phượng) trong bộ phim "Người Mỹ trầm lặng (phim 2002)" của đạo diễn Phillip Noyce. cùng diễn với cô là nam hai diễn viên nổi tiếng Michael Caine và Brendan Fraser. Đây là lần đầu tiên một nữ diễn viên Việt Nam có một vai diễn chính nói tiếng Anh trong một bộ phim của Hollywood.

Khi "Người Mỹ trầm lặng" được chiếu trên toàn thế giới, Hải Yến được mời tham dự rất nhiều buổi lễ công chiếu cũng như nhiều liên hoa phim tại rất nhiều nước khác nhau như Úc, Anh, Mỹ, Ý, Pháp, Đức v.v... Tên của cô xuất hiện trên nhiều hãng thông tấn và báo chí quốc tế như CNN, Reuters, BBC, AP, Time, Newsweek, New York Times v.v... và mang lại sự chú ý rất lớn từ giới điện ảnh. "Người Mỹ trầm lặng" được đề cử giải Oscar bên cạnh 10 giải thưởng và 7 đề cử tại giải BAFTA, giải Quả cầu Vàng, giải Hiệp hội các nhà phê bình phim London, Liên hoan phim quốc tế Băng Cốc, v.v... Bộ phim còn được chọn là một trong 10 phim hay nhất năm 2003.

Năm 2005, Hải Yến là nữ diễn viên chính trong Chuyện của Pao của đạo diễn Ngô Quang Hải. Đây là phim Việt Nam đầu tiên Hải Yến tham gia. Chuyện của Pao nhận giải Cánh Diều Vàng cho Phim xuất sắc nhất, Nữ diễn viên chính xuất sắc, Nữ diễn viên phụ xuất sắc, Đạo diễn hình ảnh xuất sắc. Phim còn được giải Đặc biệt của giám khảo tại liên hoan phim châu Á Thái Bình Dương lần thứ 51, và nhiều giải thưởng quốc tế khác. Chuyện của Pao cũng là phim đầu tiên mà Hải Yến tham gia với vai trò nhà sản xuất, tham gia trong việc marketing và phân phối phim.

Năm 2008, Hải Yến tham gia diễn xuất trong "Chơi Vơi" của đạo diễn Bùi Thạc Chuyên, được công chiếu tại liên hoan phim Venezia vào tháng 9 năm 2009. Bộ phim còn tham gia nhiều liên hoan phim quốc tế khác nhau trong năm 2009.

Phim gần đây nhất mà Hải Yến tham gia là Cánh đồng bất tận, dựa trên tập truyện ngắn cùng tên của nhà văn Nguyễn Ngọc Tư. Bộ phim được công chiếu tại liên hoan phim quốc tế Busan, Hàn Quốc.