Tout au long des années 2000, ses interprétations sont remarquées au théâtre comme au cinéma. Elle multiplie en particulier les rôles dans les films de Christian Petzold. Ils travaillent ensemble une première fois en 2001, pour un téléfilm, "Dangereuses rencontres". Un autre film de Petzold, "Yella", permet à Nina Hoss de remporter l'Ours d'argent de la meilleure actrice à la Berlinale 2007. Elle est élue membre de l'Académie des arts de Berlin en 2009.