Cornish ble for alvor kjent for det internasjonale publikum da hun spilte hovedrollen mot Heath Ledger i dramafilmen i 2006. Samme år var hun også med i Ridley Scotts romantiske komedie med Russell Crowe og Marion Cotillard. I 2007 spilte hun Bess Throckmorton i biografifilmen . Hun spilte også den kvinnelige hovedrollen i en ny dramafilm, (2008) mot Ryan Phillippe, Channing Tatum og Joseph Gordon-Levitt. I 2011 dukket hun opp i en ny stor hovedrolle i thrilleren med Bradley Cooper og Robert De Niro. I tillegg var hun med i Zack Snyders actionfilm og Madonnas samme år.