Jabarkan 2000-an dari Owen Wilson

Wilson membintangi film aksi komedi tahun 2000, Shanghai Noon bersama Jackie Chan. Film tersebut meraup hampir $100 juta di seluruh dunia. Ketenarannya terus menanjak setelah membintangi film Zoolander tahun 2001 bersama Ben Stiller. Gene Hackman dilaporkan memperhatikan penampilan Wilson di Shanghai Noon dan merekomendasikan Wilson untuk ikut membintangi film aksi 2001, Behind Enemy Lines.

Wilson kembali ke genre komedi pada tahun 2002 dengan film komedi aksi I Spy, dibintangi bersama Eddie Murphy. Film tersebut merupakan remake layar lebar dari serial televisi dengan nama yang sama, tetapi tidak tampil baik di box office. Wilson membuat penampilan cameo di video Girl Skateboards, Yeah Right! pada tahun 2003. Dia kemudian bersatu kembali dengan Chan untuk film Shanghai Knights (2003), dan ikut membintangi film remake serial televisi tahun 1970-an Starsky & Hutch (2004). Karena jadwalnya yang padat sebagai aktor dan kondisi sinus yang sedang berlangsung, Wilson tidak dapat berkolaborasi dalam naskah untuk film keempat Wes Anderson, The Life Aquatic with Steve Zissou, namun Wilson tetap membintangi film tersebut sebagai calon putra Bill Murray, Ned Plimpton; karakter yang ditulis khusus untuknya. Pada tahun 2004, dia dan saudaranya, Luke berperan sebagai Wright Bersaudara dalam film tahun 2004, Around the World in 80 Days.

Wilson berperan bersama Vince Vaughn dalam film komedi Wedding Crashers tahun 2005, yang meraup lebih dari $200 juta di Amerika Serikat. Juga di tahun 2005, Owen berkolaborasi dengan saudara-saudaranya dalam The Wendell Baker Story, yang ditulis oleh Luke dan disutradarai oleh Luke dan Andrew. Pada tahun 2006, Wilson mengisi suara Lightning McQueen dalam film Disney/Pixar, Cars. Wilson juga membintangi You, Me and Dupree bersama Kate Hudson, dan kembali tampil bersama Stiller di Night at the Museum sebagai koboi Jedediah. Peran lain Wilson yang bekerja sama dengan Ben Stiller termasuk, Meet the Parents (2000), Meet The Fockers (2004), Night at the Museum: Battle of the Smithsonian (2009), Little Fockers (2010), Night at the Museum: Secret of the Tomb (2014) dan Zoolander 2 (2016).

Wilson muncul di film Wes Anderson lainnya, The Darjeeling Limited, yang diputar di Festival Film New York, Festival Film Venesia, dan dirilis secara umum pada tanggal 30 September 2007. Film ini dibintangi oleh Jason Schwartzman dan Adrien Brody. The Darjeeling Limited dipilih untuk rilis DVD dan Blu-ray oleh The Criterion Collection pada Oktober 2010. Wilson kemudian membintangi film komedi arahan Judd Apatow, Drillbit Taylor yang dirilis pada Maret 2008. Dia muncul dalam sebuah film adaptasi dari memoar terlaris John Grogan, Marley & Me (2008), dibintangi bersama Jennifer Aniston.

Wilson mengisi suara untuk Pelatih Whackbat Lewati di film Fantastic Mr. Fox arahan Wes Anderson. Ia juga membintangi film The Big Year, sebuah adaptasi dari buku Mark Obmascik, The Big Year: A Tale of Man, Nature and Fowl Obsession. Film tersebut dirilis pada Oktober 2011 oleh 20th Century Fox, dan juga dibintangi oleh Jack Black dan Steve Martin. Wilson adalah anggota persaudaraan akting komedi yang dalam bahasa sehari-hari dikenal sebagai Frat Pack. Wilson menjadi bintang tamu di komedi NBC, Community dengan sesama anggota Frat Pack, Jack Black.