Ab 2008 war Chau regelmäßig mit einmaligen Gastauftritten in US-amerikanischen Serien wie "The Sarah Silverman Program.", "How I Met Your Mother", "Navy CIS", "My Boys", "Shit! My Dad Says", "" vertreten. Eine erste wiederkehrende Rolle erhielt sie in der Science-Fiction-Serie "Trenches" (2010), in der sie in zehn Folgen als Spc. Wing zu sehen war. Zwischen 2011 und 2013 übernahm Chau in 13 Folgen der in ihrer Heimatstadt angesiedelten Dramaserie "Treme" den Part der Linh, Tochter eines vietnamesischen Fischers, die sich mit dem Straßenmusiker Sonny (dargestellt von Michiel Huisman) anfreundet. Ihr Kinodebüt gab sie 2014 mit einer Nebenrolle in Paul Thomas Andersons "Inherent Vice – Natürliche Mängel". In der Krimikomödie ist sie als Bordellangestellte Jade zu sehen, die Hauptdarsteller Joaquin Phoenix Informationen über einen Drogenhändlerring anvertraut. Lob seitens der Fachkritik erhielt Chau 2017 für ihren zweiten Spielfilm "Downsizing", in dem sie eine erste Hauptrolle bekleidete. In der Science-Fiction-Komödie von Alexander Payne spielt sie die zwangsgeschrumpfte vietnamesische Aktivistin Ngoc Lan, die Hauptdarsteller Matt Damon die Schattenseiten einer futuristischen Miniaturwelt aufzeigt. Diese Leistung brachte ihr u. a. 2018 eine Golden-Globe-Nominierung als beste Nebendarstellerin ein.