Desde que protagonizó la enormemente exitosa trilogía de Matrix: Matrix (The Matrix, 1999); Matrix Realoaded (The Matrix Reloaded, 2003), y Matrix Revolutions (The Matrix Revolutions, 2003), para Warner Bros., Carrie-Anne Moss se ha convertido en una de las actrices más solicitadas de Hollywood.

Algunos de los productores más prominentes de Hollywood la incorporaron inmediatamente en sus filmes, entre los que cabe citar Una banda de cuidado (The Crew, 2000), en la que fue protagonista junto a Burt Reynolds y Richard Dreyfuss en esta comedia de gángsteres de Disney para los productores Barry Sonnenfeld y Barry Josephson; Planeta rojo (Red Planet, 2000), junto a Val Kilmer para Warner Bros. y el productor Mark Canton; Chocolat (Chocolat, 2000), donde la actriz actúa junto a Juliette Binoche, Johnny Depp, y Dame Judy Dench, un film nominado al Oscar, de Miramax, que produjo David Brown y dirigió Lasse Hallstrom; Memento (Memento, 2000), un thriller independiente que tuvo gran resonancia en la crítica, donde el protagonista es Guy Pearce; y Sospechoso cero (Suspect Zero, 2004), donde es coprotagonista junto a Aaron Eckhart y Sir Ben Kingsley, bajo dirección de Eliase Merhige y producción de Cruise y Wagner.

Por su interpretación en Memento, Carrie-Anne fue objeto de un Independent Spirit a la mejor actriz secundaria, y por su interpretación en Snow Cake (Snow Cake, 2006), logró un premio Genie en la misma categoría.