Tyldum gjorde seg bemerket internasjonalt med kriminalfilmen (2011), med Aksel Hennie, Nikolaj Coster-Waldau og Synnøve Macody Lund i hovedrollene. Filmen er basert på Jo Nesbøs roman med samme navn. Den ble solgt til over 50 land og ble den første norske filmen som har blitt nominert til BAFTA for beste utenlandske film. Filmen vant publikumsprisen under Amandaprisen 2012. Tyldum hadde også suksess med den historiske thrilleren (2014), med Benedict Cumberbatch og Keira Knightley i hovedrollene. Filmen er basert på den britiske matematikeren Alan Turings innsats under andre verdenskrig. Den ble nominert til åtte Oscar under den 87. Oscar-utdelingen, inkludert for beste film, og Tyldum ble som første nordmann nominert til beste regi. Han ble også nominert til Directors Guild of America Award for beste regi i en spillefilm. Tyldum regisserte deretter sci-fi drama , med Chris Pratt og Jennifer Lawrence i hovedrollene, også på rollelista er Laurence Fishburne og Michael Sheen. kom ut i 2016.