Grâce à Son de mar de Bigas Luna, elle perce très vite sur le grand écran. Plusieurs fois nommée aux Goyas, tout s’enchaîne ainsi très vite.En 2002, elle remporte le Prix d’interprétation au Festival du Film Hispanique de Miami pour son rôle dans Ma mère préfère les femmes (surtout les jeunes…). La même année, elle tourne avec Pedro Almodovar et illumine de sa présence Parle avec elle (2002). Elle retrouve le cinéaste par la suite pour une participation amicale dans La mauvaise éducation (2004).Leonor Watling est également une habituée des films de la réalisatrice Isabel Coixet avec : Ma vie sans moi (2003) et The secret life of words (2005), ainsi que le segment Bastille du film Paris je t'aime.En 2006, elle tourne pour la 1ère fois sous la direction d’Alex de la Iglesia dans le cadre d’un téléfilm de la série d’horreur Peliculas para no dormir.En 2008, elle est à l'affiche à Crimes à Oxford avec le hobbit Elijah Wood. Très demandée à l’étranger, elle tient le rôle principal de l’adaptation du roman Belle du Seigneur, avec Olivier Martinez.
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