Esta cualidad fue reforzada dos años después, con La Boum 2 (1982). En 1983, recibió el Premio César como la actriz más prometedora del cine francés. A los 16 años, interpretó un papel más serio en el filme Fort Saganne (1984) en el cual compartió créditos con Gérard Depardieu y Catherine Deneuve. El mismo año, actuó en Felices Pascuas (Joyeuses Pâques, 1984), junto con Jean-Paul Belmondo. Bajo la dirección de Andrzej Zulawski (padre de su primer hijo), actuó en varios filmes dramáticos: L'Amour braque (1985), Mes nuits sont plus belles que vos jours (1989), La Note bleue (1991), y La Fidélité (2000). La primer gran aparición de Marceau fuera del cine francés fue en la película Braveheart (1995), lo cual aumentó su fama como estrella de cine. Después, apareció en Sueño de una noche de verano (A midsummer night's dream, 1999), y fue una chica Bond en El mundo nunca es suficiente (The world is not enough, 1999). Su debut como directora cinematográfica de largometraje fue con el filme Háblame de amor (Parlez moi d'amour, 2002), por el cual ganó el premio al mejor director en el Festival de Montreal 2002.