2001年，参与电影《恋
爱起义》拍摄，并获得演出《常在我心》的机会，首次担任电影女主角，饰演患癌少女。
2002年年更凭此片获“第二十一届香港电影金像奖”“最佳新演员”提名。同年5月18日，与钟欣桐组成女子歌唱组合Twins，推出首张同名EP《Twins》。
2002年9月，举行一连三场“Ichiban兴奋演唱会”，当时19岁的她更破纪录成为最年轻在红馆（香港体育馆）开演唱会的女艺人以及香港艺人。与郑伊健主演电影《我老婆唔够秤》。
2003年，主演电影《下一站天后》，同名电影主题曲是她首支独唱作品。年底于红馆举行五场跨年演唱会“零4好玩演唱会”。
2004年，以Twins名义夺得2003年度“四台联颁音乐大奖――传媒大奖”。首次夺得电影奖项――“第四届华语电影传媒大奖”、“港台最受欢迎女演员金奖”，也是首个个人奖项；另外凭《古宅心慌慌》于“第十届香港电影评论学会大奖”首获影后提名；该年她有十部参与演出的电影上映，约占全年上映的53部香港电影中的五分之一。
2005年，Twins正式发展国语市场，推出首张国语唱片《见习爱神》，全亚洲销量达80万张。7月为配合商业电台广播剧《36计》宣传，首次以个人名义将歌曲《鱼蛋歌》派台；亦为电影《
情癫大圣》歌曲《爱》的粤语版首次填词。
2006年1月，于红馆举行四场“一时无两演唱会”，同年获香港杜莎夫人蜡像馆邀请于馆内设立蜡像，当年23岁的她是最年轻获邀于馆内设立蜡像的香港艺人。9月推出首支由她亲自作曲的歌曲《你不是好情人》，收录于专辑《HoHooTan》中，此曲是她花了三年时间去创作的作品。
2007年，蔡卓妍在“香港特区10周年电影选举”中，获得由观众投票的“我最喜爱新世代女演员”及由业内人士选出的“最具潜质女演员”奖项。蔡卓妍于7月凭《
妄想》在“第十一届韩国富川国际幻想电影节”首夺“最佳女主角”奖，并于9月在“第十二届香港电影金紫荆奖”凭电影《戏王之王》中饰演三级片女星单丹一角夺得“最佳女主角”，以及“最受欢迎女主角”，也是她于香港首个影后殊荣；亦因此片而拜戏剧大师詹瑞文为师，继续进修演技。另外，蔡卓妍亦有参与电视综艺节目演出，主持《阿Sa真人Show》。
2008年1月，Twins于2007年度“十大劲歌金曲颁奖典礼”中首次夺得“亚太区最受欢迎香港女歌星”后，受拍档钟欣桐“艳照门”事件影响，蔡卓妍开始作独立发展，但对其人气及工作量并无负面影响，除继续出演电影、拍摄广告外，7月推出与父亲合撰的首本著作《单・亲・爱》，描述她与父亲的单亲家庭生活，收益用作慈善用途，推出仅两日即告全面售罄；8月为“愿望成真基金”筹款，推出首张单曲唱片《MakeAWish》。另外，蔡卓妍再凭《戏王之王》获“第二十七届香港电影金像奖”及“第十四届香港电影评论学会大奖”影后提名；音乐方面，与新加坡歌手林俊杰合唱的歌曲《小酒窝》，并凭此曲获得多项奖项，其中包括于“第三十一届十大中文金曲颁奖音乐会”中夺得“全国最佳中文歌曲奖”。
2009年，蔡卓妍正式以个人身份发展歌唱事业，首支歌曲《二缺一》于2月派台，得到各台及乐迷支持，4月推出首张个人专辑《二缺一》，获颁发白金唱片。10月推出EP《AnotherMe》，主打歌有《生还者》及创作歌曲《放得低》等，同样获白金唱片销量。12月于澳门举行的“蔡卓妍、光良MakeAWish童话音乐会”，是个人发展后首个售票演唱会。9月首次参演台湾偶像剧《呼叫大明星》。
2010年，蔡卓妍主演由王晶执导电影《
美丽密令》、尔冬升监制《枪王》升级作品《枪王之王》和秦小珍导演处女作《
翡翠明珠》。Twins时隔四年再度踏上红馆舞台，于4月16日拉开了她们《人人弹起》主题世界巡回演唱会的序幕。5月她与贺军翔主演了偶像剧《呼叫大明星》。蔡卓妍于6月15日推出了她的首张国语大碟《ASASA》，并于同年10月推出广东EP《BeautyRemains》，其中多首曲目于当年各台榜单中获奖。
2011年，阿sa于2月10日推出《Sweetestday》收录两首全新主打以及15首KaraokeMV，其中由EricKwok和林若宁倾力打造首只派台主打《年年》，最终为阿sa带来了她的第一支四台冠军歌曲。5月18日，英皇娱乐召开记者发布会庆祝Twins成立十周年并宣布合体，同时发布了她们将于7月推出的国语专辑《3650》中的同名主打曲目以及回馈歌迷的歌曲《留言墙》，更在腾讯微博与网友歌迷互动；Twins两人亦于当月远赴澳大利亚凯恩斯拍摄MV及写真集延续十周年之旅。演唱会方面，Twins《人人弹起》世界巡回演唱会继续于各地奔波，先后于9月、11月来到广州、上海、美加开show，广州天河体育场更是3万人同场大合唱；同时继新专推出之后两人于8月份举办了《新城3650音乐会》演唱自出道以来多首经典曲目。同时，阿s主演博纳影业出品
《
财神客栈》于6月上映首周便夺得暑期档新片票房冠军并获得过亿票房；同年10月由中国巨力影视投资的魔幻爱情动作电影《
白蛇传说》更是受邀参加威尼斯电影节、釜山电影节、巴塞罗那奇幻电影节，并获当年金马、金像、纽约中国电影节等多项提名奖项。
2012年1月，阿sa在神话喜剧《欢乐元帅》中扮演的小龙女，同时Twins另一成员钟欣桐在剧中扮演天猫女一角，该剧亦是Twins阔别十年再度合体拍剧。2月，由蔡卓妍携手谢霆锋主演青春偶像穿越剧《剑侠情缘之藏剑山庄》。3月，Twins经历四年沉淀再次推出粤语专辑《2befree》，以“自由”为主题。4月，阿sa参演寰宇电影筹拍阮世生执导续集电影《我老公唔生性》于香港开拍。7月24日，蔡卓妍推出了粤语专辑《Montage》，其中首发派台歌曲《明明》获得TVB劲歌金曲榜单冠军。
2014年，蔡卓妍与任达华合演三级片电影《雏妓》，12月30日，任达华、蔡卓妍凭着《雏妓》荣获澳门国际电影节金莲花最佳男女主角。2015年2月13日，阿sa蔡卓妍受邀加盟《超级战队》，与朱丹、张涵予一起成为明星队长，带领三支现场观众队伍进行对战。
