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《Ho Hoo Tan》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***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》。