2004年、映画『世界の中心で、愛をさけぶ』にヒロインとして出演しました。白血病治療の副作用による脱毛症を抱えた亜紀の役を演じ、自ら申し出てスキンヘッドになりました。 この作品は長澤の出世作となり、興行収入85億円の大ヒットと共に多数の映画賞を受賞、長澤自身も第28回日本アカデミー賞最優秀助演女優賞を史上最年少で受賞するなど、長澤が幅広い世代から支持を受ける大きなきっかけとなる作品になりました。