2000年，凯瑟琳泽塔-琼斯搭档迈克尔道格拉斯、本尼西奥德尔托罗主演了由史蒂文索德伯格执导的犯罪电影《毒品网络》，因在片中饰演为毒枭丈夫脱罪的“海伦娜阿亚拉”而获得第58届美国电影电视金球奖电影类-最佳女配角提名。
2002年，与蕾妮齐薇格、约翰赖利等主演了罗伯马歇尔执导的音乐歌舞片《芝加哥》，饰演因老公和妹妹偷情，愤而杀掉老公的可怜女子“薇尔玛”，由此获得第75届奥斯卡金像奖最佳女配角奖。
2004年6月18日，凯瑟琳泽塔琼斯与汤姆汉克斯、斯坦利塔奇等主演的，由史蒂文斯皮尔伯格执导的爱情电影《幸福终点站》上映。12月8日，搭档乔治克鲁尼、朱莉娅罗伯茨、布拉德皮特、马特达蒙和安迪加西亚等主演的犯罪电影《十二罗汉》上映，凯瑟琳泽塔琼斯在片中饰演高级侦探“伊莎贝尔”。