2000 yılında Remember the Titans adlı filmde ufak bir rolü olur. 2001 yılında Bosworth daha iyi filmlerde rol alabilmek umuduyla Los Angeles’a taşınır ve ilk başrolünü 2002 yılında Blue Crush adlı filmle elde eder. Bu filmdeki görüntüsü için iki ayrı eğitmenle birlikte aylarca günde altışar saat çalışarak ve kaslarını güçlendirerek geçirir. Film iyi eleştiriler alarak 40 Milyon doların üzerinde hasılat yapar ve Bosworth geniş kitlelere ulaşmayı başarır. 2002-2005 yılları arasında Bosworth birçok filmde rol alır. Bunlar; The Rules of Attraction, Wonderland (Val Kilmer ile başrolü oynar), Beyond the Sea, Win a Date with Tad Hamilton. Bu sürede Revlon’un reklam filmlerinde yer alıp FHM 2005 yılı En Seksi 100 Kadın sıralamasında 60. , Maxim dergisinin benzer kategorili listesinde de 2005 yılında 38., 2006 yılında da 8. Sıraya yerleşir.

Bir çok meslektaşıyla giriştiği mücadeleden sonra Superman Returns adlı filmde Lois Lane rolünü alır. Kate Bosworth, 2002 yılında Orlando Bloom ile çıkmaya başlar ve o dönemde ikili birlikte Seasons of Dust filmini çekme aşamasında ayrılınca film projesi iptal olur. Sonrasında Bosworth psikolojik bir drama olan The Girl in the Park adlı filmde Sigourney Weaver ile birlikte oynar, film 2008 yılında gösterime girecektir. Ardından Bosworth 21 (2007), After Life (2008), The Man of Steel (2009) adlı filmleri çeker.

Kate Bosworth, 2000 yılında Princeton Üniversitesi’ne kabul edilir. Bosworth 2000-2002 yılları arasında aktör Matt Czuchry ile birlikte olur ancak sonrasında aktör Orlando Bloom ile flört etmeye başlar ve bu ilişkisi 2005 yılına dek sürer. Bosworth, Eylül 2006’dan beri model James Rousseau ile birliktedir. 2006 yılını ortalarında Bosworth aşırı zayıflığı sebebiyle manşetlere taşınır. Genç Hollywood aktrislerin zayıflık trendinin bir parçası olur. Kate Bosworth’un Louise ve Dusty adlı iki kedisi vardır.