《追随》的成功还帮诺兰赢得艾玛·托马斯的芳心，两人没过多久就结为夫妻。虽然《追随》的发行规模很有限，但诺兰还是因此获得500万美元的投资以拍摄下一部影片《记忆碎片》。

在《记忆碎片》中，诺兰将时间的解构运用得更淋漓尽致，影片时间顺序与事件发展的时间顺序完全颠倒，加上不断地闪回片段，观众很快就会陷入和主人公相同的对于记忆的迷惘中。《记忆碎片》是诺兰第一部获得巨大成功的影片，该片不但收获了将近4000万美元的票房，而且还获得了金球奖和奥斯卡奖最佳原创剧本的提名。2002年，诺兰翻拍了挪威惊悚片《白夜追凶》，票房超过1亿美元，象征着诺兰从此投入了好莱坞的怀抱。

诺兰真正在好莱坞大放异彩，是凭借在华纳兄弟拍摄的《蝙蝠侠》三部曲。2003年，诺兰带着蝙蝠侠的故事，找到了东家华纳兄弟。当时《蝙蝠侠》系列已经被榨得所剩无几，搁置6年没人敢碰，诺兰却“异想天开”提出要翻拍。

最后诺兰说服高层拍《蝙蝠侠》，凭借的是“最接地气的人设”。在他的剧本里，布鲁斯·韦恩白天是个花花公子，晚上成了行侠仗义的英雄。2005年到2012年，《蝙蝠侠》三部曲完成。在IMDb排行榜中，《蝙蝠侠：黑暗骑士》更是将教科书级别的《肖申克的救赎》与《教父》甩到身后。好莱坞也由此开启了动漫电影的“黑暗英雄”时代——动漫英雄都成了有着人性弱点的坏小子。

他把英式冷峻叙事带到美国好莱坞后，脑洞越开越大，创作并拍摄了《盗梦空间》，又与弟弟乔森纳·诺兰合作完成了《星际穿越》。乔森纳一点儿不逊色于诺兰，乔森纳是作家、编剧，《记忆碎片》就是根据他的原著小说《死亡象征》改编。《星际穿越》本来是乔森纳为斯皮尔伯格准备的电影，诺兰爱上了这个剧本，最终兄弟两人成功合作。乔森纳还是导演，美剧《西部世界》是他的得力之作。才华横溢的兄弟俩是如今好莱坞最有名的拍档。