Renouant avec Jeanne Balibar, il lui confie le rôle de la chanteuse Barbara et se met en scène dans le film "Barbara" (2017) – présenté dans la section Un certain regard lors du Festival de Cannes 2017 – qui vaut à l'actrice le César de la meilleure actrice en 2018 et au film huit nominations lors des César 2018 (dont celles du meilleur film, meilleur réalisateur et meilleur scénario). Le film reçoit en 2017 le prix Louis-Delluc et le prix Jean-Vigo. De plus lors du tournage de ce film, les réalisateurs André S. Labarthe et Quentin Mével lui consacrent un numéro de leur série documentaire "Cinéma de notre temps", série initiée par le premier en 1964 et qui sera son dernier film avant sa mort.