En 2005, Élodie Bouchez entame une carrière aux États-Unis en rejoignant le casting de la cinquième saison de la série Alias dans laquelle Jennifer Garner et Michael Vartan incarnent les rôles principaux d'agents secrets. Elle y joue Renée Rienne, une criminelle poursuivie par les polices du monde entier. Le premier épisode de cette nouvelle saison a été diffusé le sur ABC et le en France sur la chaîne M6. Mais l'actrice voit son personnage écarté à la moitié de la saison, au profit d'un autre personnage féminin, interprété par Amy Acker, et mieux reçu par la critique et le public.
Elle joue aussi dans deux épisodes des saisons 3 et 4 de la série The L Word, où elle tient un rôle secondaire, celui de Claude Mondrian, la maîtresse de Jenny Schecter au moment où celle-ci atteint la consécration littéraire et voit revenir son premier amour lesbien, Marina. Ces expériences à la télévision américaine resteront isolées, l'actrice revenant ensuite vers des projets français.
En 2010, elle évolue dans le drame The Imperialists Are Still Alive, de Zeina Durra, et suit de nouveau une comique en incursion dramatique, Marina Foïs à contre-emploi pour la romance Happy Few, écrite et réalisée par Antony Cordier.
Il faut attendre 2013 pour la revoir au cinéma : elle tient le seul rôle féminin principal de la comédie populaire La Grande Boucle, de Laurent Tuel, puis fait partie du casting de la comédie dramatique Juliette, de Pierre Godeau.
En 2018, elle est membre du jury du 32eFestival du film de Cabourg, présidé par André Téchiné. La même année, elle tient plusieurs rôles : des petits rôles dans deux projets : tout d'abord la comédie dramatique Gaspard va au mariage, d'Antony Cordier, où elle prête ses traits à la mère décédée du héros, apparaissant dans les flashbacks ; puis la comédie parodique Guy, d'Alex Lutz, où elle apparaît dans des images d'archives : elle incarne la version jeune d'une protagoniste, une chanteuse de variétés des années 1970. Enfin, elle interprète le personnage d’Alice dans le drame indépendant Pupille, de Jeanne Herry. Ce rôle lui vaut le prix Lumière de la meilleure actrice ainsi qu’une nomination aux César dans la catégorie meilleure actrice.
Vie privée
Élodie Bouchez est en couple avec le musicien français Thomas Bangalter du duo Daft Punk, avec qui elle a eu deux garçons, Tara-Jay (né en 2002) et Roxan (né en 2008)[1].