Neben ihrer Arbeit als Drehbuchautorin – unter anderem für Teddy Lussi-Modestes "Jimmy Rivière" (2011) und Yann Gonzales’ "Begegnungen nach Mitternacht" – verfasste Zlotowski auch für eigene Filme das Drehbuch. Ihre zweite Regiearbeit wurde 2013 "Grand Central", in der Tahar Rahim  und erneut Léa Seydoux die Hauptrollen übernahmen. Zlotowski wurde für "Grand Central" mit dem Spezialpreis der Prix Lumières ausgezeichnet und für einen Prix Lumière in der Kategorie Beste Regie nominiert. Mit ihrer dritten Regiearbeit "Das Geheimnis der zwei Schwestern" ließ sich Zlotowski von der wahren Geschichte der drei amerikanischen Schwestern Fox inspirieren, die Ende des 19. Jahrhunderts mit Séancen populär wurden. Der Film war mit Natalie Portman und Lily-Rose Depp international besetzt und erlebte 2016 auf den Internationalen Filmfestspielen von Venedig seine Premiere. Auch ihr nachfolgender Spielfilm "Ein leichtes Mädchen" war von realen Ereignissen inspiriert. Im Film um das Zusammentreffen der jungen, lebensunerfahrenen Naïma mit ihrer älteren Cousine Sofia, die als Callgirl arbeitet und Luxus liebt, besetzte Zlotowski das frühere Callgirl Zahia Dehar, das 2010 in die „Affaire Zahia“ mit Fußballern wie Franck Ribéry verwickelt war, in der Rolle der Sofia. "Ein leichtes Mädchen" erlebte 2019 im Rahmen der Quinzaine des réalisateurs der Internationalen Filmfestspiele von Cannes seine Premiere. Zlotowski erhielt für den Film eine Nominierung für den Prix Louis Delluc in der Kategorie Regie. Mit dem Sechsteiler "Les sauvages" entstand 2019 Zlotowskis erste Regiearbeit für das Fernsehen. Für vier der sechs Episoden schrieb sie zudem das Drehbuch.