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。