Następnym obrazem z McAdams była komedia romantyczna "O północy w Paryżu" (2011) w reżyserii i według scenariusza Woody’ego Allena, która otworzyła 64. Międzynarodowy Festiwal Filmowy w Cannes. Zagrała w niej postać Inez, płytkiej i filisterskiej narzeczonej głównego bohatera (Owen Wilson). Allen stworzył tę postać z myślą o McAdams, po usłyszeniu pochlebnych opinii na jej temat ze strony Diane Keaton. McAdams powiedziała później, że współpraca z Allenem była wyjątkowym przeżyciem i niezwykłym w porównaniu z innymi filmami. Krytycy chwalili film Allena, jednakże McAdams zebrała chłodne opinie odnośnie do swojej gry; jeden z recenzentów określił jej rolę jako „naprawdę niewdzięczną”. Przyniósł on w Ameryce najwyższy przychód brutto (bez uwzględnienia inflacji) spośród wszystkich dotychczasowych filmów Allena i był najbardziej dochodowym filmem kina niezależnego w 2011. Przy budżecie 17 mln USD, film zarobił na świecie ponad 151 mln USD. McAdams, wraz z innymi sześcioma członkami obsady, była nominowana do Nagrody Gildii Aktorów Ekranowych za wybitny występ zespołu aktorskiego w filmie kinowym. Woody Allen zdobył Oskara za najlepszy scenariusz, a film był nominowany do nagrody w 3 kategoriach, w tym za najlepszy film. McAdams ponownie wcieliła się w rolę Irene Adler w sequelu "", jednak główną rolę żeńską otrzymała Noomi Rapace. Joel Silver, producent filmu, powiedział w wywiadzie, że „zawsze zamierzaliśmy angażować do każdego filmu inną dziewczynę” podobnie jak „dziewczyny Bonda” w filmach z Jamesem Bodem. Stwierdził, że „było skomplikowaną sprawą” przekonać McAdams, żeby powróciła w mniejszej roli: „Ona uwielbiała pracować z nami, ale miała nadzieję na większą rolę”. Jej występ został pozytywnie oceniony m.in. w "The Wall Street Journal" i "The Huffington Post". Film zarobił na świecie ponad 545 mln USD.