Pialat lui confie le rôle principal d’un film auquel il songe depuis 10 ans. Avec À nos amours (1983), où elle incarne une fille des banlieues confrontée à son éveil sexuel. Elle enchaîne avec Police (1985) et reprend du service avec Sous le soleil de Satan (1987) où elle incarne Mouchette.Avec Sans toi ni loi d’Agnès Varda (1986), elle réussit sa percée internationale. Elle la retrouve en 1995 sur Les cent et une nuits...Sandrine Bonnaire est ensuite tour à tour otage dans Captive du désert pour Raymond Depardon (1990), Puritaine pour Jacques Doillon (1986), jeune bonne pour Claude Sautet (Quelques jours avec moi, 1988), provinciale fascinée par la culture arabe pour André Téchiné (Les innocents, 1987), objet inconscient de la hantise du voyeur Monsieur Hire (1989) pour Patrice Leconte, qu’elle retrouve sur Confidences trop intimes (2004).Elle entre dans la bande à Rivette avec Jeanne la pucelle 1 et 2, elle y repique avec Secret défense (1998), puis c'est la rencontre avec Claude Chabrol qui fait d’elle la bonne timide et dyslexique d’un couple riche (La cérémonie, 1995), puis, bientôt, l’infirmière mariée à un professeur de dessin accusé du meurtre d’une fillette (Au cœur du mensonge, 1999).Elle touche un public toujours plus grand en alternant les genres : fresque historique (Est-Ouest de Regis Wargnier, 1999), mélodrames (C’est la vie, 2001, et Le cou de la girafe, 2004), comédie (Mademoiselle, 2001), comédie romantique (Je crois que je l'aime). En 2007, elle réalise un documentaire intitulé Elle s’appelle Sabine, sur une de ses soeurs, autiste, puis l'année suivante, elle est face à Marina Foïs dans l'adaptation d'une oeuvre de Flaubert, Un coeur simple.Parmi les récompenses qu'elle reçoit, il y a le prix d’Interprétation au Festival de Venise pour La cérémonie de Claude Chabrol (ex-aequo avec Isabelle Huppert), le prix de la meilleure actrice au Festival du Film Romantique de Cabourg pour Mademoiselle (2001).Lors des César, elle est nominée pour Sous le soleil de Satan, Monsieur Hire, Jeanne la pucelle 2, La cérémonie, Est-Ouest, et connaît la consécration avec À nos amours (meilleur espoir féminin) et Sans toit ni loi (prix d’interprétation).En 2008, elle joue à nouveau sous la direction de Nebbou Safy -après le cou de la Girafe en 2004- dans le rôle d'une mère confrontée à une autre dans un face à face presque animal autour de la question de l'instinct maternel.
