Nach dem weltweiten Erfolg von "Mathilde – Eine große Liebe" gehörte Cotillard zu den gefragtesten Schauspielerinnen Frankreichs und arbeitete von 2006 bis 2007 an fünf Filmprojekten, darunter Ridley Scotts englischsprachige Komödie "Ein gutes Jahr" an der Seite von Russell Crowe und Albert Finney und die Hauptrolle in Olivier Dahans Film "La vie en rose", in dem sie den Part der berühmten Chansonsängerin Édith Piaf übernahm. Das Drama, das seine Uraufführung als Eröffnungsfilm der 57. Filmfestspiele von Berlin feierte, brachte Cotillard großes Lob seitens der Kritik ein und der Film avancierte in Frankreich zum großen Kinokassenerfolg. Ihr Porträt der Piaf, die sie von der 18-jährigen Göre bis hin zur 47-jährigen kranken Frau darstellt, wurde vom Tagesspiegel als „großartig“ bewertet, während die Berliner Zeitung in einem sonst eher „langatmigen Biopic“ die „überragende, hinreißende Leistung der Hauptdarstellerin“ herausstellte. Obwohl Cotillard für den Film nicht selbst die Chanson-Klassiker der bekannten Sängerin interpretierte, wurde sie mit mehr als einem Dutzend internationaler Film- und Festivalpreisen geehrt. 2008 erhielt sie als dritte Französin nach Claudette Colbert (1935) und Simone Signoret (1960) den Oscar als "beste Hauptdarstellerin" sowie den César, den Golden Globe als "beste Komödien- bzw. Musical-Darstellerin", den British Academy Film Award (BAFTA Award), den Satellite Award und den Darstellerpreis der Los Angeles Film Critics Association.