16 की उम्र में, थेरॉन ने एक स्थानीय प्रतियोगिता जीतने के बाद एक साल के मॉडलिंग अनुबंध पर मिलान, इटली की यात्रा की. वे पॉलिन मॉडल प्रबंधन के लिए न्यूयॉर्क गयीं. अनुबंध समाप्त होने के बाद उन्होंने वहीँ रहने का फैसला किया और वे जॉफ़री बैले स्कूल में भर्ती हुईं, जहां उन्होंने बैले नर्तकी का प्रशिक्षण प्राप्त किया। जब थेरॉन 19 साल की थीं तब घुटने की चोट ने उनके इस कैरियर का रास्ता बंद कर दिया.

नृत्य करने में असमर्थ, थेरॉन एक तरफ का टिकट मां के दिए जाने पर लॉस एंजिल्स के लिए रवाना हो गयीं. वहां शुरूआती सालों में, किराया चुकाने के लिए अपनी मां के भेजे गए चेक को भुनाने के लिए वे एक बैंक गयीं. रोकडि़ए ने नगदी देने से इंकार कर दिया, थेरॉन उस महिला के ताल से ताल मिलाकर चिल्लाना शुरू कर दिया. इसके बाद उनके पीछे खड़े एक प्रतिभा एजेंट ने उन्हें अपना व्यावसायिक कार्ड दिया और साथ ही उसने उन्हें भूमिका दिलानेवाले एजेंट और एक अभिनय स्कूल से भी परिचय करवाया. बाद में एक ही तरह की फ़िल्मों "शोगर्ल" और "स्पिसेस" की पटकथा भेजे जाने पर उन्होंने अपने प्रबंधन के पद से उसे निकाल दिया. आठ महीनों के बाद शहर में, उन्हें अपनी पहली फ़िल्म के लिए भूमिका मिली, सीधे-सीधे वीडियो फ़िल्म "चिल्ड्रेन ऑफ़ द कॉर्न III" (1995) में अवाक भूमिका में. इसके बाद ही उन्हें हॉलीवुड में एक लंबी भूमिका मिली और 1990 के दशक के अंतिम दौर में "द डेविल’स एडवोकेट" (1997), "माइटी जो यंग" (1996) और "द सीडर हाउस रूल" (1999) जैसी बॉक्स ऑफिस की सफलता के साथ उनका कैरियर आसमान को छूने लगा. "वैनेटी फेयर" के 1999 जनवरी के अंक में "ह्वाइट हॉट वीनस" के रूप में मुखपृष्ठ को जगमगाया. 
कुछ उल्लेखनीय फ़िल्मों में काम करने के बाद, थेरॉन ने "मॉन्स्टर" (2003) में एक के बाद एक हत्या करनेवाली एलीन वुओर्मस की भूमिका की. फ़िल्म समीक्षक रॉजर इबर्ट ने उन्हें सिनेमा के इतिहास में सबसे बढि़या प्रदर्शन करनेवाली अभिनेत्री बताया. इस भूमिका के लिए, थेरॉन ने फरवरी 2004 में 76वें एकाडमी अवार्ड का सर्वश्रेष्ठ अभिनेत्री का एकाडमी अवार्ड जीता, साथ में SAG आवर्ड और गोल्डन ग्लोब अवार्ड भी जीता. वे सर्वश्रेष्ठ अभिनेत्री का ऑस्कर जीतनेवाली पहली अफ्रीकी हैं। ऑस्कर विजय के कारण वे हॉलीवुड में सर्वाधिक महंगी अभिनेत्रियों की "द हॉलीवुड रिपोर्टर" की 2006 सूची में शामिल हो गयीं; उसके बाद की दोनों फ़िल्मों, "नॉर्थ कंट्री" और "एओन फ्लक्स", के लिए उन्होंने 10,000,000 डॉलर लिया; वे हाले बेरी, कैमरॉन डाएज, ड्रयू बैरीमोर, रेनी जेलवेगर, रिज विदरस्पून और निकोल किडमैन के बाद सातवां स्थान प्राप्त हुआ।

30 सितंबर 2005 को थेरॉन ने हॉलीवुड वाक ऑफ़ फेम में अपना खुद का सितारा प्राप्त किया। उसी वर्ष, उन्होंने आर्थिक रूप से असफल रोमांचक विज्ञान कथा "एऑन फ्लक्स" में अभिनय किया। इसके अलावा, थेरॉन सर्वश्रेष्ठ अभिनेत्री का एकाडमी अवार्ड और नाटक "नॉर्थ कंट्री" में मुख्य भूमिका अदा करने के लिए ग्लडेन ग्लोबल के लिए मनोनीत की गयीं. इस प्रदर्शन के लिए "मिस." मैगजीन ने इसके फॉल 2005 अंक में एक आलेख प्रकाशित कर उन्हें सम्मानित किया।

2005 में, थेरॉन ने फॉक्स के समीक्षकों द्वारा सराही गयी टेलीविजन श्रृंखला "अरेस्टेड डेवलपमेंट" के तीसरे सीजन में रीता, माइकल ब्लूथ की (जैसॉन बैटमैन) कमजोरी की भूमिका अदा की. 2004 में HBO मुवी की "द लाइफ एंड डेथ ऑफ़ पीटर सेलर्स" में ब्रिटी एकलैंड की भूमिका के लिए उन्हें गोल्डन ग्लोब और एमी का मनोनयन प्राप्त हुआ।

2007 में "एस्क्वायर" ने उन्हें सेक्सिएस्ट वुमेन अलाइव का नाम दिया.

2008 में, थेरॉन को हैस्टी पुडिंग थिएट्रिकल्स वुमेन ऑफ़ द इअर का खिताब दिया गया। इसी साल वे "हैनकॉक", वह फ़िल्म जिसमें अमेरिका में कुल 227.9 मिलियन डॉलर और अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर 396.4 मिलियन डॉलर कमाया, में बिल स्मिथ के साथ आयीं, और 2008 के आखिर में संयुक्त राष्ट्र संघ के महासचिव बान की-मून द्वारा उन्हें संयुक्त राष्ट्र संघ का शांति दूत बनने का प्रस्ताव दिया गया।

10 नवम्बर 2008 को, "TV गाइड" ने कहा कि थेरॉन निकोल किडमैन के साथ "द डैनिश गर्ल" के फ़िल्मी संस्करण में नजर आएंगी. थेरॉन इनार वेगेनर/लिली इल्बे (किडमैन), दुनिया के पहले ज्ञात शख्स जिसने लिंग परिवर्तन सर्जरी कराया है, की पत्नी गेरडा वेगेनर की भूमिका अदा करेंगी. अक्टूबर 2008 में, थेरॉन "मैड मेक्स" फ़िल्म की अगली कड़ी "मैड मैक्स: रोड फ्यूरी" में एक भूमिका के लिए चुनी गयी हैं, इस फ़िल्म की शुरूआत ऑस्ट्रेलिया के न्यू साउथ वेल्स के ब्रोकेन हिल में 2010 के अंत तक होगी.

4 दिसम्बर 2009 को, थेरॉन दक्षिण अफ्रीका के केप टाउन में 2010 FIFA वर्ल्ड कप के लिए, दक्षिण अफ्रीकी मूल की दूसरी कई हस्तियों के साथ थेरॉन ड्रॉ की सह-प्रस्तोता रहीं. FIFA के आयोजन को दांव पर रखकर रिहर्सल के दौरान फ्रांस और आयरलैंड के बीच प्रदर्शन मैच में थिएरी हेनरी के हैंडबॉल विवाद का हवाला देकर उन्होंने फ्रांस के बजाए आयरलैंड का बॉल ड्रॉ कर मजाक किया। यह स्टंट फीफा के सावधान होने के लिए काफी रहा कि लाइव विश्व दर्शक के सामने वे इसे कहीं फिर से दोहरा दें.

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