Eric Bana debutó ante el público estadounidense interpretando a Mark Chopper Read en la película Chopper, estrenada en el Festival de Cine de Sundance en 2001 y estrenada en EE.UU. con grandes elogios de la crítica tras su éxito en Australia. Gracias a esta interpretación, Bana se llevó los premios de la Asociación de la Crítica Cinematográfica Australiana y del Instituto del Cine australiano.

Junto a Josh Hartnett, Ewan McGregor y Tom Sizemore, Bana protagonizó Black Hawk derribado, película de Ridley Scott en la que interpretaba al Sargento de Primera de las Fuerzas Delta Hoot Gibson, integrante de un grupo de soldados de élite. La épica película bélica, producida por Jerry Bruckheimer, está basada en el bestseller de Mark Bowden sobre la misión estadounidense en Mogadiscio, Somalia, de 1993. Tras su estreno estadounidense, Bana protagonizó la comedia australiana The Nugget, película en la que interpreta a un hombre de clase trabajadora cuya vida cambia radicalmente al descubrir una perla que les convierte automáticamente, a él y a sus dos amigos, en ricos.

Poco después, Bana interpretó a Bruce Banner en Hulk, película del director Ang Lee basada en el personaje de los cómics Marvel. También interpretó a Héctor, Príncipe de Troya, en la película Troya, del director Wolfgang Peterson. La película, basada en la Ilíada, de Homero, la protagonizaron Brad Pitt y Orlando Bloom. Un año más tarde participó en la elogiada Múnich, de Steven Spielberg, sobre las consecuencias de los Juegos Olímpicos de Múnich de 1972.

Bana también interpretó el papel protagonista en la película australiana Rómulo, mi padre, basada en la autobiografía bestseller de Raimond Gaita, estrenada en el Festival de Cine de Toronto. Posteriormente protagonizó Lucky You junto a Drew Barrimore. Tras ello interpretó el papel de Enrique Tudor, con Natalie Portman y Scarlett Johansson, en Las hermanas Bolena.

Bana fue uno de los protagonistas de la taquillera Star Trek, de J.J. Abrams, en la que interpretaba al villano Nero. También participó en la película de Judd Apatow Hazme reír, en la que compartió cartel con Adam Sandler, Seth Rodan y Jonah Hill; Más allá del tiempo, junto a Rachel McAdams, en la película basada en el bestseller de Audry Niffenegger; el thriller de acción Hanna, con Saoirse Ronan y Cate Blanchett; La huida, con Olivia Wilde y Charlie Hunnam; Circuito cerrado, con Rebecca Hall; y El único superviviente, junto a Mark Wahlberg, Taylor Kitsch y Ben Foster.

Su debut como director, el drama documental Love the Beast, se estrenó en EE.UU. en el Festival de Cine de Tribeca de 2009, y contó como protagonistas con el propio Bana, Jay Leno, Dr. Phil y Jeremy Clarkson, de Top Gear, de la BBC. La película explora su larga relación de 25 años de duración con su primer coche, y la importancia de los vínculos que se forman al compartir aficiones.

Más recientemente, Bana ha participado junto a Ricky Gervais en Special Correspondents, comedia satírica escrita y dirigida por Gervais para Netflix; Líbranos del mal, del productor Jerry Bruckheimer; y La hora decisiva, con Chris Pine, Casey Affleck y Ben Foster. Próximamente podremos verle en The Secret Scripture junto a Theo James y Rooney Mara, a las órdenes de Jim Sheridan.