Um papel em A Love Song for Bobby Long (2004) fez com que Johansson ganhasse sua terceira nomeação ao Globo de Ouro de Melhor Atriz. Johansson ganhou outra indicação ao Globo de Ouro de Melhor Atriz Coadjuvante com seu papel em Match Point, de Woody Allen (2005). Ela passou a estrelar mais dois filmes de Allen: Scoop (2006) e Vicky Cristina Barcelona (2008). Johansson apareceu em outros filmes de sucesso, como The Prestige de Christopher Nolan (2006), o drama histórico The Other Boleyn Girl (2008) e a comédia romântica conjunta He's Just Not That Into You (2009). Ela intepretou a personagem Viúva Negra/Natalia Romanova/Natasha Romanoff da Marvel em Iron Man 2 (2010), Os Vingadores (2012) e em Capitão América: O Soldado Invernal (2014), ela ainda reprisou o papel de Viúva Negra em Os Vingadores 2 (2015).

O renascimento da peça na Broadway de Arthur Miller A View From the Bridge de 2010 fez com que ganhasse o Tony Award de Melhor Atriz Coadjuvante em Peça. Como cantora, Johansson lançou dois álbuns, Anywhere I Lay My Head e Break Up. Em 2 de maio de 2012, ela foi homenageada com uma estrela no Hollywood Walk of Fame, que foi colocado na frente de Madame Tussauds Hollywood, em Hollywood Boulevard.