Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Il 27 febbraio 2010, Cotillard è stato il presidente onorario della 35a edizione dei César Awards
la cerimonia. Ha interpretato Mal Cobb, una proiezione del personaggio di Leonardo DiCaprio, la defunta moglie di Dom Cobb nel film di Christopher Nolan "Inception", interpretato anche da Tom Hardy, Joseph Gordon-Levitt, Cillian Murphy, Ken Watanabe, Michael Caine e Elliot Page, uscito il 16 luglio 2010. Nolan ha descritto Mal come "l'essenza della femme fatale", e DiCaprio ha elogiato la performance di Cotillard dicendo che "può essere forte e vulnerabile e speranzosa e straziante nello stesso momento, che era perfetto per tutte le contraddizioni del suo personaggio". Cotillard e Leonardo DiCaprio si sono classificati al numero 8 nella lista di Forbes delle "coppie più guadagnose di Hollywood" per "Inception", che ha incassato 825 milioni di dollari al botteghino mondiale. Nello stesso anno, ha recitato nel dramma di Guillaume Canet "Little White Lies" ("Les petits mouchoirs"), interpretando l'ambientalista Marie, al fianco di Jean Dujardin e François Cluzet.