Moreau werkte daarna nog een paar keer samen met Malle, in onder andere Les Amants en Le Feu Follet. Haar status als toekomstig filmicoon heeft ze echter bijna nog meer te danken aan de films die ze in de jaren zestig maakte met François Truffaut, en dan met name Jules et Jim.
Moreau werd begin jaren zestig beroemd dankzij haar bijzondere uitstraling en stijl, die al in de jaren vijftig evident was maar geheel paste bij de frisheid en eigenzinnigheid van de Franse Nouvelle Vague, zoals ook mooi tot uiting kwam in het tragische La baie des anges van Jacques Demy. In die tijd werkte ze ook met internationale grootmeesters zoals Orson Welles (in The Trial), Michelangelo Antonioni (in La notte), Luis Buñuel (in Le Journal d'une femme de chambre) Wim Wenders (in Until the End of the World) en Rainer Werner Fassbinder (in Querelle.
Moreau maakte ook uitstapjes naar Hollywood en speelde in Amerika door de jaren heen in oorlogsfilms, thrillers, romantische drama's en zelfs westerns. Tijdens haar carrière won ze twee BAFTA's (één voor een rol, één voor haar oeuvre), de Cannes prijs voor de Beste Actrice en een César voor Beste Actrice. Voor haar werk kreeg ze ook de ''lifetime achievement'' Oscar.