2010 m. vasario 27 d. Cotillard buvo
35-oji Cezaro apdovanojimų ceremonija. 2010 m. liepos 16 d. pasirodžiusiame Christopherio Nolano filme "Inception" ji vaidino Mal Cobbą, Leonardo DiCaprio personažo, Dom Cobb mirusios žmonos, projekciją. Nolanas apibūdino Malą kaip "femme fatale esmę", o DiCaprio gyrė Cotillard pasirodymą, sakydamas, kad "ji gali būti stipri ir pažeidžiama ir viltimi ir skausminga tuo pačiu metu, o tai puikiai tinka visiems jos charakterio prieštaravimams". Cotillard ir Leonardo DiCaprio užėmė 8-ąją vietą "Forbes" sąraše "Holivudo geriausių uždirbančių porų ekrane" už "Inception", kuri visame pasaulyje uždirbo 825 milijonus JAV dolerių. Tais pačiais metais ji taip pat vaidino Guillaume Canet dramoje "Mažos baltos melos" ("Les petits mouchoirs"), vaidindama aplinkosauginę Mariją, kartu su Jean Dujardin ir François Cluzet.