En 1997 consigue el papel de Wai Lin, la espía china en El mañana nunca muere (1997), de Roger Spottiswoode. La décimo octava película de la saga 007 le reportó la fama internacional. Ese año fue seleccionada por la revista People como una de la 50 personas más hermosas del mundo. Sin embargo, fue el éxito internacional de Tigre y dragón (2000), junto a Ziyi Zhang y Chow Yun-Fat y bajo la dirección de Ang Lee, la que le deparó mayor reconocimiento. En esta película rehusó de especialistas en las escenas de acción no así de profesionales fonoaudiólogos que le ayudasen a memorizar fonéticamente su texto en chino mandarín, idioma que no sabe leer ni hablar. La película tuvo diez nominaciones al Oscar de las que obtuvo cuatro, incluida Mejor Película de Habla No Inglesa (Taiwán) se sumaron a sus premios, destacando la nominación de Yeoh a Mejor Actriz en los Bafta (la ganadora sería Julia Roberts, por Erin Brokovich).

Fundó su propia productora, Mythical Films, con la que ha financiado The Touch (2002), de Peter Pau, Fei Ying (2004), de Jingle Ma, (ambas con ella como protagonista) y Yao Tiao Shen Shi (2009), de Gui Yuen Lee. En 2005 se sumó al reparto de la superproducción Memorias de una geisha, la adaptación cinematográfica dirigida por Rob Marshall del best seller homónimo de Arthur Golden, encarnando a Mameha, junto a Ziyi Zhang y con el japonés Ken Watanabe , producida por Steven Spielberg. Un film con mucha controversia en Japón ya que sus tres protagonistas (Yeoh, Zhang Ziyi y Gong Li) interpretaban a geishas a pesar de que ninguna tenía ascendencia nipona. Aparece en Sunshine (2007), dirigida por Danny Boyle y la tercera parte de La momia: La tumba del emperador Dragón (La momia 3) (2008), de Rob Cohen.

Tras Reign of Assassins (2010), de John Woo y Chao-Bin Su, y prestar su voz en la película de animación Kung Fu Panda 2 (2011), de Jennifer Yuh, regresa con The Lady de Luc Besson, coproducción franco-británica sobre la Premio Nobel de la Paz, Aung San Suu Kyi, que le ha valido críticas entusiastas por donde ha pasado (Toronto, Roma, AFI Fest,...). La película trata la historia de una sencilla ama de casa que se acaba convirtiendo en líder opositora. Su valentía le llevó a permanecer casi dos décadas bajo arresto domiciliario decretado por la junta militar de Birmania y estar cada vez más separada de sus seres queridos. Aun cuando las motivaciones políticas de Suu Kyi, son opacas, Yeoh ofrece una interpretación tan elegante y colosal que hace que todo valga la pena. En 2017 se incorpora al elenco de Star Trek Discovery como Philippa Georgiou, capitán de la USS Shenzhou y como Emperatriz del Imperio Terrano.