2001年，參與電影《戀
愛起義》拍攝，并獲得演出《常在我心》的機會，首次擔任電影女主角，飾演患癌少女。
2002年年更憑此片獲“第二十一屆香港電影金像獎”“最佳新演員”提名。同年5月18日，與鐘欣桐組成女子歌唱組合Twins，推出首張同名EP《Twins》。
2002年9月，舉行一連三場“Ichiban興奮演唱會”，當時19歲的她更破紀錄成為最年輕在紅館（香港體育館）開演唱會的女藝人以及香港藝人。與鄭伊健主演電影《我老婆唔夠秤》。
2003年，主演電影《下一站天后》，同名電影主題曲是她首支獨唱作品。年底于紅館舉行五場跨年演唱會“零4好玩演唱會”。
2004年，以Twins名義奪得2003年度“四臺聯(lián)頒音樂大獎――傳媒大獎”。首次奪得電影獎項――“第四屆華語電影傳媒大獎”、“港臺最受歡迎女演員金獎”，也是首個個人獎項；另外憑《
古宅心慌慌》于“第十屆香港電影評論學會大獎”首獲影后提名；該年她有十部參與演出的電影上映，約占全年上映的53部香港電影中的五分之一。
2005年，Twins正式發(fā)展國語市場，推出首張國語唱片《見習愛神》，全亞洲銷量達80萬張。7月為配合商業(yè)電臺廣播劇《36計》宣傳，首次以個人名義將歌曲《魚蛋歌》派臺；亦為電影《
情癲大圣》歌曲《愛》的粵語版首次填詞。
2006年1月，于紅館舉行四場“一時無兩演唱會”，同年獲香港杜莎夫人蠟像館邀請于館內(nèi)設立蠟像，當年23歲的她是最年輕獲邀于館內(nèi)設立蠟像的香港藝人。9月推出首支由她親自作曲的歌曲《你不是好情人》，收錄于專輯《HoHooTan》中，此曲是她花了三年時間去創(chuàng)作的作品。
2007年，蔡卓妍在“香港特區(qū)10周年電影選舉”中，獲得由觀眾投票的“我最喜愛新世代女演員”及由業(yè)內(nèi)人士選出的“最具潛質(zhì)女演員”獎項。蔡卓妍于7月憑《
妄想》在“第十一屆韓國富川國際幻想電影節(jié)”首奪“最佳女主角”獎，并于9月在“第十二屆香港電影金紫荊獎”憑電影《
戲王之王》中飾演三級片女星單丹一角奪得“最佳女主角”，以及“最受歡迎女主角”，也是她于香港首個影后殊榮；亦因此片而拜戲劇大師詹瑞文為師，繼續(xù)進修演技。另外，蔡卓妍亦有參與電視綜藝節(jié)目演出，主持《阿Sa真人Show》。
2008年1月，Twins于2007年度“十大勁歌金曲頒獎典禮”中首次奪得“亞太區(qū)最受歡迎香港女歌星”后，受拍檔鐘欣桐“艷照門”事件影響，蔡卓妍開始作獨立發(fā)展，但對其人氣及工作量并無負面影響，除繼續(xù)出演電影、拍攝廣告外，7月推出與父親合撰的首本著作《單?親?愛》，描述她與父親的單親家庭生活，收益用作慈善用途，推出僅兩日即告全面售罄；8月為“愿望成真基金”籌款，推出首張單曲唱片《MakeAWish》。另外，蔡卓妍再憑《戲王之王》獲“第二十七屆香港電影金像獎”及“第十四屆香港電影評論學會大獎”影后提名；音樂方面，與新加坡歌手林俊杰合唱的歌曲《小酒窩》，并憑此曲獲得多項獎項，其中包括于“第三十一屆十大中文金曲頒獎音樂會”中奪得“全國最佳中文歌曲獎”。
2009年，蔡卓妍正式以個人身份發(fā)展歌唱事業(yè)，首支歌曲《二缺一》于2月派臺，得到各臺及樂迷支持，4月推出首張個人專輯《二缺一》，獲頒發(fā)白金唱片。10月推出EP《AnotherMe》，主打歌有《生還者》及創(chuàng)作歌曲《放得低》等，同樣獲白金唱片銷量。12月于澳門舉行的“蔡卓妍、光良MakeAWish童話音樂會”，是個人發(fā)展后首個售票演唱會。9月首次參演臺灣偶像劇《呼叫大明星》。
2010年，蔡卓妍主演由王晶執(zhí)導電影《
美麗密令》、爾冬升監(jiān)制《
槍王》升級作品《
槍王之王》和秦小珍導演處女作《
翡翠明珠》。Twins時隔四年再度踏上紅館舞臺，于4月16日拉開了她們《人人彈起》主題世界巡回演唱會的序幕。5月她與賀軍翔主演了偶像劇《呼叫大明星》。蔡卓妍于6月15日推出了她的首張國語大碟《ASASA》，并于同年10月推出廣東EP《BeautyRemains》，其中多首曲目于當年各臺榜單中獲獎。
2011年，阿sa于2月10日推出《Sweetestday》收錄兩首全新主打以及15首KaraokeMV，其中由EricKwok和林若寧傾力打造首只派臺主打《年年》，最終為阿sa帶來了她的第一支四臺冠軍歌曲。5月18日，英皇娛樂召開記者發(fā)布會慶祝Twins成立十周年并宣布合體，同時發(fā)布了她們將于7月推出的國語專輯《3650》中的同名主打曲目以及回饋歌迷的歌曲《留言墻》，更在騰訊微博與網(wǎng)友歌迷互動；Twins兩人亦于當月遠赴澳大利亞凱恩斯拍攝MV及寫真集延續(xù)十周年之旅。演唱會方面，Twins《人人彈起》世界巡回演唱會繼續(xù)于各地奔波，先后于9月、11月來到廣州、上海、美加開show，廣州天河體育場更是3萬人同場大合唱；同時繼新專推出之后兩人于8月份舉辦了《新城3650音樂會》演唱自出道以來多首經(jīng)典曲目。同時，阿s主演博納影業(yè)出品
《
財神客棧》于6月上映首周便奪得暑期檔新片票房冠軍并獲得過億票房；同年10月由中國巨力影視投資的魔幻愛情動作電影《
白蛇傳說》更是受邀參加威尼斯電影節(jié)、釜山電影節(jié)、巴塞羅那奇幻電影節(jié)，并獲當年金馬、金像、紐約中國電影節(jié)等多項提名獎項。
2012年1月，阿sa在神話喜劇《
歡樂元帥》中扮演的小龍女，同時Twins另一成員鐘欣桐在劇中扮演天貓女一角，該劇亦是Twins闊別十年再度合體拍劇。2月，由蔡卓妍攜手謝霆鋒主演青春偶像穿越劇《
劍俠情緣之藏劍山莊》。3月，Twins經(jīng)歷四年沉淀再次推出粵語專輯《2befree》，以“自由”為主題。4月，阿sa參演寰宇電影籌拍阮世生執(zhí)導續(xù)集電影《我老公唔生性》于香港開拍。7月24日，蔡卓妍推出了粵語專輯《Montage》，其中首發(fā)派臺歌曲《
明明》獲得TVB勁歌金曲榜單冠軍。
2014年，蔡卓妍與任達華合演三級片電影《雛妓》，12月30日，任達華、蔡卓妍憑著《雛妓》榮獲澳門國際電影節(jié)金蓮花最佳男女主角。2015年2月13日，阿sa蔡卓妍受邀加盟《超級戰(zhàn)隊》，與朱丹、張涵予一起成為明星隊長，帶領(lǐng)三支現(xiàn)場觀眾隊伍進行對戰(zhàn)。
