2002年,赴罗马尼亚演出古希腊悲剧《安提戈涅》,饰演俄狄浦斯的女儿安提戈涅。2003年,赴美和巴德学院学生合作演出根据布莱希特的《四川好人》改编的话剧《神仙与好女人》,导演孙惠柱,万茜饰演乐于助人的妓女沈黛。2004年,万茜在上海戏剧学院再度上演《神仙与好女人》。2005年,在国家话剧院主演话剧《怀疑》,万茜饰演詹姆斯修女。2006年,在国家话剧院主演话剧《荒原与人》,饰演垦荒队员细草,该话剧获文化部“话剧百年”全国剧目展演金奖。2010年,主演佛教界首部多媒体音乐剧《弘一》,万茜饰演女一号叶子。2004年,演唱家庭伦理剧《天使的歌声》主题曲《橄榄树》。2005年,为古装轻喜剧《青天衙门2》录制主题曲《清白》;之后,一个偶然的机会,万茜被星光海岸音乐公司发现,便签约了该公司。2006年9月26日,万茜首次推出个人单曲《勇敢爱》;10月20日,发行个人单曲《丢失的结局》;11月3日,与上海申花球员吉祥兄弟共同演唱多哈亚运会五星体育报道主题歌《梦的火种》。2006年12月15日,获得“9 2音乐先锋榜”年度先锋新人奖”和“年度先锋对唱金曲奖”。16日,万茜在北京“亚太音乐榜年度新人颁奖礼”中,荣获“最佳多栖发展新人奖”。2007年,演唱电视剧《生死桥》片尾曲《无猜》。1月8日,万茜发行第一张个人音乐专辑《万有引力》,专辑中《勇敢爱》获东方风云榜年度十大金曲提名。2010年,万茜第二张专辑主打歌曲《万语千言》首发,首发三日点击率突破十万 [15] 。2013年,演唱《小儿难养》的插曲《新的开始》和《路》 。2002年,万茜第一次涉足影视圈,客串张爱玲同名小说改编的电视剧《金锁记》。2004年,主演家庭伦理剧《天使的歌声》,饰演品学兼优、美丽善良的陈子微。2005年,在古装轻喜剧《青天衙门2》中,饰演谭小玉;同年,经编剧汪遵熹推荐,出演悬疑谍战剧《密令1949》,在剧中饰演野蛮女友杨柳。2007年,出演田沁鑫执导年代抗战剧《生死桥》,饰演上海电影女明星段娉婷;同年,在抗日谍战剧《长江一号》中,饰演918师情报处处长许昳初。2009年8月,与吴秀波、左小青合作出演民国情感剧《上海上海》,饰演坚贞不屈的刘晓男;10月,出演毛卫宁执导的家庭伦理剧《我的孩子我的家》,剧中万茜分别饰演林雨虹、夏宜。2011年,在滕华涛执导的都市爱情剧《裸婚时代》中,饰演拜金女陈娇娇;9月,在柳云龙执导的民国传奇剧《传奇之王》中,饰演将门之女剑屏 ;同年,在家庭喜剧《我家有喜》中,饰演英姿飒爽的教官“白木喜”,并凭借该剧荣登微博名人热搜榜首。2012年3月,主演古装爱情片《柳如是》,饰演秦淮八艳”之首柳如是,该影片入围第3届北京国际电影节和第19届北京大学生电影节;4月,与郭富城、桂纶镁合作出演剧情片《圣诞玫瑰》;5月,出演曹盾执导的都市情感剧《小儿难养》,饰演叛逆火辣的纹身师简艾,同时演唱了插曲《新的开始》和《路》,并凭借该剧入围上海电视节白玉兰“最具人气女演员奖”;7月,与李晟、林心如合作出演都市爱情剧《花非花雾非雾》,饰演女暴君白海华;11月,出演家庭伦理剧《婚战》,饰演孟三力的妻子海兰。2013年,出演刘猛执导的军旅励志剧《特种兵之火凤凰》,饰演卧底侦察员安然;3月,主演刘家成执导的军旅戏《天生要完美》,饰演海军上尉蒋丹晨;5月,与毛卫宁第三次合作,出演他执导的近代革命剧《十送红军》,饰演文弱的女文艺兵戴澜;10月,与陈建斌、陈意涵合作出演民国军旅剧《军中乐园》,饰演军中乐园茶室侍应生妮妮,万茜凭借“妮妮”一角获得第51届台湾金马奖“最佳女配角”;12月,主演姜凯阳执导的家庭伦理剧《孩子回国了》,饰演海归女博士张嘉超。2014年3月,在都市轻喜剧《熟男养成记》中,饰演咖啡店老板沈语桐;7月,主演喜剧动作片《青田街一号》,该影片入围第17届台北电影节最佳剧情长片;11月,在都市情感剧《将婚姻进行到底》中,饰演聪明、尖锐、逻辑力很强的职业律师江一凡。2015年,在孙红雷主演的都市情感剧《好先生》中,饰演心理医生徐丽;随后,特邀出演古装魔幻剧《海上牧云记》,饰演端庄华贵的南枯月漓,这是万茜与曹盾导演的第三次合作;8月,出演姜伟执导的都市商战剧《猎场》在杭州开机,饰演古灵精怪的熊青春;同年,与赵文卓、洪金宝合作出演陈嘉上执导的古装动作片《荡寇风云》,饰演女主角戚夫人。2016年,在荒诞喜剧电影《你好,疯子!》中,饰演文艺女青年安希,并凭借这一角色获得第24届北京大学生电影节“最佳女演员”奖;3月,搭档霍建华主演刘杰执导的悬疑惊悚片《捉迷藏》,饰演家伟的妻子萍芝;随后,与李易峰、廖凡合作出演悬疑片《心理罪》,饰演女法医乔兰;7月,与景甜领衔主演古装传奇剧《大唐荣耀》,饰演巾帼不让须眉的女将军独孤靖瑶;11月,万茜担任女一号,主演悬疑谍战剧《脱身者》,在剧中饰演聪慧的女会计黄俪文。2018年3月27日,搭档马天宇主演的三国题材权谋古装剧《三国机密之潜龙在渊》在腾讯视频上线,并在剧中饰演清丽英气的汉献帝皇后伏寿;4月28日,与胡歌、桂纶镁、廖凡合作出演由刁亦男执导的剧情片《南方车站的聚会》在武汉开机。