Annie Hall
1977年には、カリフォルニアの物寂しい砂漠街に住む女性を描いた、アルトマンのサイコスリラー映画『』にて、ミルドレッド・ミリー・ラモロー役を演じた。この作品により、1977年のカンヌ映画祭及びロサンゼルス映画批評家協会賞にて最優秀女優賞を獲得し、 英国アカデミー賞にノミネートされた。次に、ウディ・アレンの『アニー・ホール』に出演した。ニューヨークでアニー・ホールを撮影した際に、シンガーソングライターのポール・サイモンと出会った。二人の関係は深まり、約2年間の共同生活を送った。しかし二人の関係はデュヴァルが友人の女優キャリー・フィッシャーを紹介したことによって終わりを迎えた。フィッシャーは、デュヴァルからサイモンを奪った。