En 2003, elle tient le rôle principal du drame expérimental de Lars von Trier, "Dogville", tourné dans un décor minimaliste. Elle y joue une jeune femme poursuivie par des gangsters, Grace, qui trouve refuge dans la ville minière de Dogville et finit par devenir l'esclave de ses habitants. Nicole Kidman est fascinée par le scénario, que Von Trier a écrit spécialement pour elle, et reste dans la peau de son personnage tout le long du tournage. La scène qui lui est le plus difficile à tourner est celle où Grace doit marcher une chaîne nouée autour de son cou et attachée à une lourde roue en métal. L'actrice manque de s'étouffer et l'équipe se rend compte à la fin de la prise qu'elle souffre réellement. Présenté au Festival de Cannes, le film et la prestation de Kidman sont acclamés par la critique. "The Guardian" trouve l'actrice tandis que "The New York Times" estime qu'elle arrive à .