Następnie Mulligan wystąpiła w trójwymiarowym remake'u melodramatu "Wielki Gatsby" w reżyserii Baza Luhrmanna. Zagrała w nim pierwszoplanową rolę Daisy Buchanan, dawnej ukochanej tytułowego bohatera, tajemniczego milionera, w którego wcielił się Leonardo DiCaprio. W walce o tę postać pokonała czołowe aktorki młodego pokolenia. Przygotowując się do roli poznała życiorys autora literackiego pierwowzoru filmu, F. Scotta Fitzgeralda, a także twórczość Zeldy Fitzgerald i Ginevry King, które były inspiracją dla postaci Daisy Buchanan. Wysokobudżetowy, zrealizowany w technice 3D, film spotkał się ze skrajnymi opiniami recenzentów. Krytykowali oni jego słabo napisany scenariusz i nadmierną widowiskowość, w której zanikają bohaterowie i ich losy. Jednak wedle opinii krytyków Mulligan udało się zręcznie przedstawić wewnętrzne rozterki swojej postaci. Pomimo negatywnych recenzji "Wielki Gatsby" osiągnął jednak sukces kasowy, przekraczając oczekiwania dystrybutora Warner Brothers. W maju 2013 roku film otworzył 66. Międzynarodowy Festiwal Filmowy w Cannes, gdzie był wyświetlany poza konkursem. Spotkał się z chłodnym przyjęciem ze strony tamtejszej widowni. Zebrał także mieszane recenzje, ale odniósł ogólnoświatowy sukces kasowy, zarabiając ponad 350 mln dolarów w dystrybucji kinowej.