Nel maggio dello stesso anno inoltre entra ufficialmente nel cast del nuovo film di Quentin Tarantino, "C'era una volta a... Hollywood", incentrato sui fatti di sangue avvenuti al numero 10050 Cielo Drive a Los Angeles per mano di Charles Manson. In questo film la Robbie interpreta l'attrice Sharon Tate, ruolo che le vale la candidatura al BAFTA alla migliore attrice non protagonista, venendo affiancata da Leonardo DiCaprio e Brad Pitt. Inizialmente programmato per il 9 agosto 2019 (giorno del 50º anniversario dei fatti di Cielo Drive), il film, che è uscito nelle sale cinematografiche americane il 26 luglio, è stato presentato in concorso alla 72ª edizione del Festival di Cannes durante il mese di maggio. Nel mese di agosto la casa di moda "Chanel", di cui è ambasciatrice da un anno, la sceglie come testimonial del profumo "Gabrielle". Inoltre la rivista "Forbes" la inserisce all'ottavo posto delle attrici più pagate, con un guadagno di 23,5 milioni di dollari.