En 2008, la jeune femme s’illustre dans les deux grands polars français, Mesrine : L’Instinct de mort de Jean-Francois Richet où elle retrouve Vincent Cassel et Un prophète de Jacques Audiard, Grand Prix du jury au Festival de Cannes. Seul rôle féminin du casting, la demoiselle monte les Marches et se fait connaître du public. Repérée par Géraldine Nakache, elle crève l’écran dans Tout ce qui brille, succès public et critique qui lui offre en outre le César du Meilleur Jeune Espoir féminin 2010 et le Swann d’Or de la révélation féminine 2010 au Festival du Film de Cabourg. La même année, elle retrouve sa comparse au casting du premier film d’Anne Depetrini, la comédie Il reste du jambon ?.
Après s’être essayée à la comédie musicale dans le film d’Audrey Estrougo Toi, moi, les autres, dans lequel elle chante et danse, Leïla Bekhti fréquente les plateaux plus intimistes de Radu Mihaileanu pour La source des femmes, film se déroulant au Maghreb, dont elle est originaire. Elle revient ensuite à la comédie romantique avec Itinéraire bis, premier long métrage de Jean-Luc Perreard et dans lequel elle donne la réplique à Fred Testot. Dans Une vie meilleure, le dernier drame de Cédric Kahn, elle joue la compagne de Guillaume Canet, un homme qui doit tout mettre en oeuvre pour sauver sa famille du surendettement.