2012 में, कैटरीना पहली बार "अग्निपथ" के लिए एक बेहद लोकप्रिय आइटम गीत "चिकनी चमेली" में दिखीं। दस दिनों तक फिल्माए गए इस गाने में उन्हें महाराष्ट्रीय लोक नृत्य, लावणी की शैली में नृत्य प्रदर्शन करते देखा गया। इस गाने के बारे में कैटरीना ने कहा: "चिकनी चमेली को सभी से बहुत अच्छी प्रतिक्रिया मिल रही है और इस गाने पर नाचने के लिए मैंने बड़ी मेहनत भी की है। मैंने पहले कभी लावणी नहीं की थी। ये गाना बहुत तेज़ था। लेकिन यही तो मेरे लिए चुनौती थी कि मैं इस गाने पर कितनी अच्छी तरह नाच पाती हूं"। इसके बाद, उन्हें कबीर खान की जासूसी रोमांच फ़िल्म "एक था टाइगर" में देखा गया, जिसमें उन्होंने जोया नाम की एक आईएसआई एजेंट का किरदार निभाया जिसे एक भारतीय रॉ एजेंट के साथ प्यार हो जाता है। फिल्म को अधकतम सकारात्मक समीक्षा प्राप्त हुई, एवं कैफ के प्रदर्शन और एक्शन सीनों की सराहना की गई। सलमान खान (उनके पूर्व प्रेमी) के साथ कैटरीना की जोड़ी ने कई अटकलों को तेज़ किया और फिल्म बॉक्स ऑफिस पर बेहद सफल रही; दुनिया भर में 311 करोड़ की कमाई के साथ, एक था टाइगर वर्ष की सर्वाधिक कमाई करने वाली फिल्म बन गई।

उसी वर्ष, कैटरीना ने यश चोपड़ा की रोमांस फिल्म "जब तक है जान" में अभिनय किया, जिसमें उन्हें शाहरुख खान और अनुष्का शर्मा के साथ चित्रित किया गया। फिल्म में कैटरीना ने मीरा का किरदार निभाया, जो कि भगवान से दुआ करती है कि अगर उनका प्रेमी कोमा से बहार निकल आता है तो वह उसकी जिंगदी से हमेशा के लिए कहीं दूर चली जाएगी। इस फिल्म को ज्यादातर सकारात्मक समीक्षा प्राप्त हुई; फिल्म समीक्षक राजीव मसंद ने लिखा कि "इसकी स्क्रिप्ट में कमियों के बावजूद ये देखने लायक फिल्म है जो आपके अंदर के जज्बात बाहर ले आएगी"। दूसरी ओर कैफ के प्रदर्शन की समीक्षा मिश्रित रही, बीबीसी के फिल्म समीक्षक अर्णब बनर्जी ने लिखा कि "कटरीना का नाच हो, उनकी फिटनेस या फिर उनका खूबसूरत चेहरा सब कमाल का है लेकिन जहां बात आती है किसी भावुक दृश्य की कटरीना वहीं मार खा जाती हैं"। यह फिल्म बॉक्स ऑफिस पर हिट साबित हुई और दुनिया भर में २११ करोड़ की कमाई की।

2013 में, कैटरीना विजय कृष्ण आचार्य द्वारा निर्देशित एक्शन रोमांच फिल्म "धूम 3" में आमिर खान, अभिषेक बच्चन और उदय चोपड़ा के साथ एक सर्कस कलाकार की भूमिका में नज़र आईं। फिल्म और कैटरीना की संक्षिप्त भूमिका ने मिश्रित समीक्षाएँ आकर्षित कीं। हालांकी, उनके हवाई करतबों और नृत्य कौशल की प्रशंसा की गयी। विश्व भर में ५०० करोड़ से अधिक कमाई के साथ, यह फिल्म अब तक की सर्वाधिक कमाई करने वाली बॉलीवुड फिल्म है। वो अगली बार 2014 में सिद्धार्थ आनन्द की "बैंग बैंग" में दिखी जो हॉलीवुड की "नाइट एंड डे" की रीमेक है। कैटरीना ने एक बैंक रिसेप्शनिस्ट का किरदार निभाया जो एक रहस्यमय आदमी (ऋतिक रोशन) से प्यार कर बैठती है। फ़िल्म को और कैटरीना के अभिनय को नकारात्मक समीक्षा मिली। फ़िल्म व्यावसायिक सफलता रही। 2015 में उनकी इकलौती फिल्म "फैंटम" रही।

2016 में कैटरीना दो फिल्मों में दिखीं। पहले अभिषेक कपूर की "फितूर" में जो चार्ल्स डिकेंस के उपन्यास ग्रेट एक्स्पेक्टैशन पर आधारित थी। फिल्म में आदित्य रॉय कपूर और तबु भी थे। बाद में "बार बार देखो" में वह सिद्धार्थ मल्होत्रा के साथ नज़र आई। दोनों ही फिल्म सफल नहीं रही। हिन्दुस्तान के विशाल ठाकुर ने लिखा: "बार बार देखो में कैटरीना कैफ लंबे समय बाद ताजगी के साथ दिखाई दी हैं। उन्हें देख ऐसा लगता है कि उनके सिर से मानो कोई बोझ उतर गया है। अपनी पिछली फिल्म 'फितूर' में वह बहुत सुस्त और ऊर्जाविहीन लग रही थीं, लेकिन इस फिल्म में उन्होंने न केवल अच्छा अभिनय किया है, बल्कि कई जगहों पर मजेदार ठुमके भी लगाए हैं।"

वह वर्तमान में दो फ़िल्मी परियोजनाओं में काम कर रही हैं‌- अनुराग बसु की कॉमेडी रहस्य फ़िल्म "जग्गा जासूस" रणबीर कपूर के साथ और "टाइगर ज़िंदा है" जिसमें वो फिर से ज़ोया का किरदार निभाएगी।

कार्यक्रमों में
प्रारंभिक जीवन और पृष्ठभूमि
मॉडलिंग और फ़िल्म करियर की शुरुआत (2003 तक)
हाल के काम (2012 से अब तक)