Filmul lui Anderson din 2007, There Will Be Blood, despre un prospector de petrol în timpul boom-ului petrolier din sudul Californiei, a avut un succes major atât critic, cât și comercial și a fost adesea citat ca unul dintre cele mai mari filme ale anilor 2000. Acesta a fost urmat de The Master (2012) și Inherent Vice (2014). Al optulea film al lui Anderson, Phantom Thread, a fost lansat în 2017. A regizat videoclipuri muzicale pentru artiști precum Fiona Apple, Radiohead, Haim, Joanna Newsom, Aimee Mann, Jon Brion și Michael Penn, și a regizat de asemenea un documentar, Junun (2015), despre realizarea albumului în India. Mai recent, a regizat un scurtmetraj care însoțește Anima (2019) a lui Thom Yorke, lansat pe Netflix și în anumite cinematografe IMAX.
Filmele lui Anderson sunt adesea caracterizate prin reprezentarea unor personaje defectuoase și disperate, explorarea temelor precum familiile disfuncționale, alienarea și singurătatea, un stil vizual îndrăzneț care folosește camera în mișcare și planuri lungi, și o utilizare memorabilă a muzicii. Este cunoscut pentru colaborările frecvente cu actorii Philip Baker Hall, Philip Seymour Hoffman, Julianne Moore, Melora Walters, John C. Reilly, Joaquin Phoenix și Daniel Day-Lewis, directorul de imagine Robert Elswit, designerul de costume Mark Bridges și compozitorii Jon Brion și Jonny Greenwood.