Jabarkan Terobosan dengan peran waralaba dari Zoe Saldaña

Saldaña muncul dalam dua peran pada tahun 2009, meningkatkan profilnya secara signifikan. Dia bermain Nyota Uhura di dalam Star Trek. Sutradara film J. J. Abrams meminta Saldaña untuk memainkan peran tersebut karena dia menikmati pekerjaannya. Dia bertemu dengan Nichelle Nichols untuk memahami penciptaan latar belakang Uhura dan nama karakter. Ibu Saldaña adalah seorang Star Trek penggemar, meninggalkan pesan suara selama pembuatan film, memberi nasihat tentang peran tersebut. Steven Spielberg mengajarinya Vulcan salute lima tahun sebelumnya saat dia mengarahkannya masuk The Terminal. Star Trek (2009) adalah sukses box-office menghasilkan $ 385,7 juta.

Film profil tinggi kedua Saldaña pada tahun 2009 adalah Avatar, di mana dia memerankan pemburu pribumi Neytiri. Avatar diterima dengan baik oleh para kritikus, mengumpulkan peringkat persetujuan 83% pada agregator ulasan Rotten Tomatoes. Itu meraup $ 2,7 miliar di seluruh dunia untuk menjadi film terlaris sepanjang masa, serta di Amerika Serikat dan Kanada. Itu juga menjadi film pertama yang meraup lebih dari $2 miliar di seluruh dunia. Film ini dinominasikan untuk sepuluh Saturn Awards, dan memenangkan semua sepuluh di 36th Saturn Awards upacara. Saldana's Saturn Award for Best Actress menang menandai kejadian langka untuk semua-GK karakter.

Pada tahun 2010, Saldaña tampil di The Losers sebagai Aisha al-Fadhil, seorang pribumi Bolivian wanita. Untuk peran itu, dia diharuskan menambah berat badan untuk membawa senjata selama delapan jam sehari. Pada tahun 2010, dia muncul di Takers, Death at a Funeral, dan Burning Palms. Iklan televisinya untuk Calvin Klein "Envy" Line memulai debutnya pada tahun 2010. Pada tahun 2011, Saldaña membintangi film komedi romantis The Heart Specialist, dan memerankan pembunuh Cataleya Restrepo dalam drama kriminal Colombiana. Meskipun film terakhir mendapat ulasan negatif dari para kritikus, penampilan Saldaña dipuji.

Pada 2012, ia tampil dalam drama romantis The Words, mendapatkan ulasan negatif dari kritikus dengan sedikit keberhasilan di box-office.

Pada 2013, Saldaña mengulang perannya sebagai Uhura di Star Trek Into Darkness, sekuel dari Star Trek boot. Seperti film sebelumnya, itu sukses box-office, mengakhiri pertunjukan teater Amerika Utara dengan total box office $ 228.778.661, menempatkannya sebagai film berpenghasilan kotor tertinggi kesebelas tahun 2013.. Ini menghasilkan $467.365.246 di seluruh dunia, memeringkatnya di posisi ke-14 untuk tahun 2013, dan menjadikannya film waralaba dengan pendapatan kotor tertinggi.  Saldaña menyuarakan karakternya dalam rilis 2013 dari Star Trek Permainan video.

Pada 2014, Saldaña bermain Gamora di dalam Guardians of the Galaxy. Saldaña memerankan karakter tersebut dengan make-up daripada computer generated imagery (CGI) atau performance capture. Film ini menjadi film berpenghasilan kotor tertinggi ketiga di Marvel Cinematic Universe, di belakang The Avengers dan Iron Man 3. Itu adalah film 2014 berpenghasilan kotor tertinggi ketiga (di belakang Transformers: Age of Extinction dan The Hobbit: The Battle of the Five Armies), dan film superhero terlaris tahun 2014. Film ini mendapat ulasan positif. Saldaña dinominasikan untuk berbagai penghargaan atas karyanya dalam film tersebut, termasuk Critics' Choice Movie Award for Best Actress in an Action Movie, Aktris Film Laga Terfavorit di People's Choice Awards, dan Transformasi Layar Terbaik di MTV Movie Awards.

Pada Mei 2014, dia tampil di Rosemary's Baby, adaptasi televisi dari Ira Levin horror novel. Saldaña juga ikut memproduseri pertunjukan dua bagian berdurasi empat jam itu.

Pada tahun 2014, Saldaña diakui oleh Elle majalah selama Penghargaan Wanita di Hollywood, menghormati wanita atas prestasi dalam film, mencakup semua aspek industri film, termasuk akting, penyutradaraan, dan produksi.