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2015年12月28日汤唯、吴秀波主演的《北京遇上西雅图》第二部正式公布片名为《北京遇上西雅图之不二情书》。影片宣布将于2016年4月29日上映，片方同时曝光浪漫概念海报，以倒影形式呈现吴秀波和汤唯街头漫步的画面，两人笑容满面甜蜜相视，背景隐约可见英国地标大本钟。
2017年5月，汤唯加盟由毕赣执导的电影《地球最后的夜晚》在贵州开机。
2018年11月30日，参演2018最美表演一分钟短片。12月31日，参演的电影《地球最后的夜晚》在中国上映。
2019年4月20日，参演的电影《狗眼看人心》上映，在剧中饰演柴女士。12月6日，主演的电影《吹哨人》在中国大陆上映，在剧中饰演周雯。12月17日，主演的电视剧《大明风华》在湖南卫视播出，在剧中饰演孙若微。
2020年3月，参演电影《wonderland》 。同年，参演电影《分手的决心》。