Ihr Filmdebüt gab Wilson ebenfalls 2005 in der Fernsehserie "Suburban Shootout – Die Waffen der Frauen". Die Titelrolle in der Fernseh-Miniserie "Jane Eyre" bescherte ihr eine größere Bekanntheit und Nominierungen als "Beste Schauspielerin" für den BAFTA-Award 2007 sowie den Golden Globe Award 2007. Im deutschsprachigen Raum wurde sie durch ihre Rolle der "Alice Morgan" in der im ZDF ausgestrahlten BBC-Krimiserie "Luther" bekannt. In der von Regisseur Joe Wright 2012 inszenierten Neuverfilmung von Leo Tolstois "Anna Karenina" verkörpert sie die Prinzessin Betsy. Für ihre Hauptrolle in der Serie "The Affair" erhielt sie 2015 den Golden Globe.