2000 жылдың мамыр айында NBC арнасында «Өскен Брэди» автобиографиялық телефильмі шықты, онда Куоко актриса Морин МакКормик рөлін тамаша орындап, баспасөз бен сыншылардың назарын аударды. Актрисаның кейінгі жұмысы — «Ханымдар адам» комедиялық сериалындағы рөлі сәтті болды. 2000 жылы наурызда Кейлидің қатысуымен Диснейдің «Дәл түсірілім» фильмі шықты. 2004 жылы Кейли «Менің жасөспірім қызымның досына арналған 8 қарапайым ереже» телехикаясында жасөспірім қызды, кейінірек жер сілкінісінен болған жан түршігерлік апатты баяндайтын 10.5 шағын сериясындағы басты рөлдердің бірін сомдады. 2004 жылдың шілдесінде Кейли Куоко мен Меган Фокс ойнаған «Сән қылмыстары» телефильмі шықты. Сол жылы ол қолайсыз жасөспірімдердің мәселелері талқыланатын «Роберт Лидің пікірсайысы» тәуелсіз жобасында пайда болды. 2004 жылы Кэйли қорқынышты фильмде тағы бір басты рөлді сомдады Sleepy Hollow Revisited. Сиқырлы күші бар апалы-сіңлілілер туралы «Шайыр» культтік телехикаясының сегізінші маусымында Кейли ойнаған кейіпкер Билли Дженкинс пайда болды. Бұл рөл сол кездегі актрисаның мансабындағы ең сәтті рөлдердің бірі болды. 2005 жылы «For Him Magazine» ерлер журналы жылдың жүз ең сексуалды әйелдері тізімінде 77-ші орынға, ал 2008 жылы 21-ші орынға Кали Куоконы атады. 2007 жылдың күзінде Кэйли «Үлкен жарылыс теориясы» комедиясында басты рөлді сомдай бастады.
Оның кейіпкері — Пенни, актриса болуды армандайтын әдемі, бірақ интеллектуалды дарынды қыз. Қорылдап, әтірдің орнына ваниль майын жағып, жол ережесін мүлде елемейді. Барлық комедиялық жағдайлар ғалымдар Леонард (Джонни Галецки) мен Шелдон (Джим Парсонс) арасындағы қарым-қатынасқа негізделген. 2007 жылдың қаңтарында «Being Fat Like Me» фильмі Lifetime арнасында шықты, онда Куоко басты рөлді сомдады. Сонымен қатар, ол «Қашу» драмалық сериалында («Хабар» және «Чикаго» эпизодтары) Саша рөлін сомдады. 2008 жылы актриса «Қысқы өлілер» қара комедиясында басты рөлді сомдады. 2011 жылдың сәуір айында Куоко Саманта рөлін сомдайтын Ұлыбритания мен АҚШ-та «Құлақтағы тәртіпсіздік» анимациялық фильмінің премьерасы өтті. Кейли 2011 жылы шыққан «Соңғы сапар» фильмінде Ванда рөлін сомдайды.
2012 жылы актрисаның қатысуымен «Суррогат» фильмінің шығуы жоспарлануда. Сондай-ақ 2011 жылы 7 тамызда болған Үлкен жарылыс теориясының жұлдызы. Биылғы жылы The Big Bang Theory осы марапатқа үш номинацияны алды және.