直到2007年，她因主演李安执导的《色戒》一举成名。虽然这部电影尺度大、争议多，但汤唯在其中的表演非常投入，凭此作品一跃成为明星。不过，她也因此遭到了广电总局的限制，2008年无法接拍大陆的作品，只能转战香港。她通过优秀人才计划拿到了香港身份证，进入了香港电影圈。2009年，她参演了《月满轩尼诗》，凭此作品获奖，也算是正式复出。此后，汤唯活跃在中韩两国，参演了《北京遇上西雅图》、《黄金时代》、《大明风华》、《分手的决心》等几部口碑和票房都不错的作品，几度获得香港金像奖和金马奖的最佳女主角提名。她的演技稳定、气质独特，低调且耐看，给人一种淡定、从容的印象。
至于汤唯的感情生活，大学时她曾和朱雨辰谈过恋爱，那时两人关系很好，但由于朱雨辰的家庭干预太多，尤其是他母亲的插手，让汤唯感到无法忍受，最终两人分手。随后，她与演员田雨也有一段感情，两人基础不错，但在拍摄《色戒》时，田雨无法接受片中的尺度，导致两人分手。之后，汤唯又与圈外的胡景交往过，胡景从事广告行业，虽然两人非常低调，但因聚少离多以及其他原因，最终也没能走到一起。这些感情经历让汤唯对待爱情变得更为谨慎，她曾公开表示，自己想找到一个既能给她安全感，又能和她心灵契合的人。
2010年，汤唯在拍摄韩国电影《晚秋》时认识了导演金泰勇。金泰勇比她大十岁，曾获得过韩国大钟奖最佳影片和青龙奖最佳导演等荣誉，才华出众。那时，金泰勇已有家庭，汤唯和他只是工作上的合作关系。但金泰勇离婚后，2013年两人再次相遇，逐渐发展成了感情。汤唯那时正打算拓展韩国市场，而两人在三观上十分合拍，因此便走到了一起。2014年7月，他们在瑞典订婚，8月在香港登记结婚。婚礼十分低调，仅有几位亲友参加。结婚后，汤唯开始学韩语，而两人则主要用英语沟通，婚姻生活跨越两国，汤唯频繁往返于北京和韩国。
2016年8月25日，汤唯的女儿Summer出生。此后，汤唯减少了工作，专心照顾家庭。随着疫情的爆发，2020年她带着女儿回到北京定居，而金泰勇则留在韩国继续工作。2022年以后，他们的分居状态开始变得明显，汤唯在北京带着女儿，而金泰勇则忙于电影工作，两人很少长期生活在一起。媒体拍到汤唯独自接女儿放学，而金泰勇很少现身，因此引发了不少关于两人婚姻的猜测。有些人认为这是异国婚姻的“魔咒”，因为语言障碍、文化差异以及婆媳关系等问题。然而，汤唯自己表示，她和婆婆关系十分融洽，婆婆还主动学英语，完全没有矛盾。
至于分居的原因，汤唯透露，主要还是因为工作。她在北京拍戏、接广告，而金泰勇则在韩国拍片，两人事业都很忙。女儿上学后，需要稳定在北京的环境里学习中文和韩语。于是，他们轮流飞来飞去，金泰勇有空时会来北京陪伴妻女，带着他们逛街或看病。2023年，女儿得了支原体肺炎，金泰勇亲自带她去医院，并拍照给汤唯汇报，之后汤唯接手照顾女儿。金泰勇对女儿非常宠爱，几乎满足她所有的要求，而汤唯则以温和的方式教育女儿，绝不发火。两人每天都会通话，讨论孩子的成长问题，在教育上意见一致，始终把孩子的健康成长放在首位。
关于离婚的传闻最为热烈，2022年2月，港媒报道称他们已分居半年，感情出现问题。然而，汤唯的经纪人立刻澄清，表示分居是因为疫情和孩子上学的原因，夫妻感情依然很好。2023年12月，汤唯在香港宣传《分手的决心》时，记者再次提及此事，她毫不犹豫地否认了离婚的传闻，并称丈夫只有工作时才会去韩国，否则他会陪伴她们，并且她还在镜头前感谢丈夫。2024年1月，汤唯接受采访时再次表示离婚不可能，自己过得很开心，也不在意外界的说法，她还强调金泰勇对她来说非常重要，甚至比女儿还要重要。
