2001年6月，蔡依林为迪士尼经典动画长片《亚特兰提斯：失落的帝国》演唱中文版主题曲《情不自禁》。7月9日，蔡依林发行个人第四张录音室专辑《Lucky Number》，但其后却因与经纪公司发生合约纠纷而导致专辑宣传力度不足。8月15日，蔡依林以不满所属经纪公司提出“唱片每半年一张”过于商业的要求加上长期账目不清“为由，决定单方面终止合约；因为此事，蔡依林的演艺事业几乎暂停。10月，蔡依林的父亲扬言计划为其签约新唱片公司，遭到经纪公司大声工作室以“彼此合约在法律上并没有结束”为由干涉。9月，蔡依林凭借《爱上了一条街》的音乐录影带获得MTV音乐录影带大奖台湾观众选择奖。

2002年2月，蔡依林签约唱片公司新力音乐与经纪公司天熹娱乐。8月，蔡依林出版个人写真书《假面公主·骑士精神》并发行歌曲《骑士精神》，该歌曲为蔡依林首度填词创作作品。8月，台湾仲裁协会判定蔡依林向大声音乐制作公司赔偿一百万元后官司才停止。同年，蔡依林以“Mando-Pop”身份登上《商业周刊》美国版正刊封面。

2003年3月7日，蔡依林推出个人第五张专辑《看我72变》，收录了《布拉格广场》《说爱你》等在内的11首歌曲；这张专辑带来的不只是蔡依林形象上的改变，而且歌曲风格也呈现多样化；凭借该专辑蔡依林在台湾G-music风云榜中获得最佳女艺人奖及最佳专辑奖。3月9日，蔡依林与罗志祥主演的电视剧《Hi上班女郎》在台湾中视上档首播，剧中饰演宜凌一角，这是她首度担纲主演的台湾电视剧。8月10日，专辑《看我72变》在亚洲地区的销量超过100万张。9月，与印度音乐人Rahman合作，为中国内地电影《天地英雄》配唱主题曲《海市蜃楼》。11月15日，因参加“亚洲巨星反盗版演唱会”而引起索尼公司总部的注意，因而决定把蔡依林打造成旅日歌手，以推向日本演艺圈，但以失败告终。

2004年2月27日，蔡依林正式发行个人第六张专辑《城堡》，收录了《柠檬草的味道》、《倒带》等在内的11首歌曲；该专辑于台湾的销量达30万，使蔡依林二度登上台湾年度唱片销量女歌手冠军；3月30日，蔡依林凭借专辑《看我72变》入围第15届台湾金曲奖最佳流行音乐演唱专辑与最佳国语女演唱人奖。8月7日，蔡依林开启的“J1”世界巡回演唱会首站于上海虹口体育场举行；9月，荣获第11届新加坡金曲奖最受欢迎女歌手。11月，发行混音专辑《J9 新歌+Party精选》，为当时即将举办的巡演台北场热身。

2005年2月4日，蔡依林作为登上当年央视春晚唯一的台湾歌手，献唱了歌曲《爱情36计》；此后，该曲进入中国内地彩铃市场，直至2007年创下340万次的下载量。2月，蔡依林与索尼唱片的合约到期，但她在无约状态下，仍如期配合专辑的发行及9月推出的演唱会DVD宣传工作，为了报答当年的恩情。3月，蔡依林发行个人首本英文教学书《Jolin的24堂英文日记课》，她希望通过该书改变大众对英文学习的枯燥印象。4月，第七张国语专辑《J-game》发行，收录了《天空》、《许愿池的希腊少女》等在内的11首歌曲；然而作为脱离周杰伦后的首支作品，《J-game》一开始就被外界拿有色镜检视，媒体普遍对“没有周杰伦的蔡依林”持不看好态度，因此呈现两极化的评价。5月，蔡依林成为继邓丽君之后，又一位当选台湾最佳军中情人的歌星。7月，蔡依林为迪士尼经典动画长片《小美人鱼》演唱中文版插曲《海洋之心》，庆祝香港迪士尼乐园开幕。9月，蔡依林发行首张巡演实录《J1 Live Concert》，记录蔡依林于“J1世界巡回演唱会”台北场的表演内容。9月3日，她获得了第五届全球华语歌曲排行榜最受欢迎女歌手奖、最佳舞台演绎奖。10月，蔡依林与歌手罗志祥合唱歌曲《真命天子》，收录于罗志祥的专辑《催眠Show》。12月，蔡依林推出第二本英文教学书《Jolin的6场单字派对》，分享六种英文单字快速记忆法。同年，凭借歌曲《海盗》的录影带入围第四届日本MTV录影带大奖“buzz ASIA最佳艺人”。

2006年1月23日，蔡依林荣获第28届香港十大中文金曲颁奖礼“全国最受欢迎女歌手”（铜奖），蔡依林成为首位打入该奖项前三（金、银、铜）席位的台湾歌手。2月，蔡依林正式加盟EMI Capitol唱片。5月6日，蔡依林出席在泰国曼谷举行的MTV亚洲大奖（MTV Asia Award）并荣获“国际时尚艺人”（The Style Award），成为第一位亚洲歌手得主，并且蔡依林献唱了融合彩带体操的《舞娘》一曲。5月，蔡依林推出个人第八张专辑《舞娘》，同时旧东家索尼唱片发行一张名为《J-Top冠军精选》的精选集与《舞娘》形成对打局面，两张专辑在台湾玫瑰大众公信榜占据第一、二位两周时间，其中《舞娘》在40天内全亚洲销量突破200万张，为蔡依林带来的不仅仅是首度登上华语年度销售总冠军的位置，也让屡次与台湾金曲奖绝缘的蔡依林在第18届颁奖典礼上获得了“最佳国语女歌手”以及“最受欢迎女歌手”等多项奖项。9月17日，蔡依林首支粤语单曲《假装》发行，后收录于专辑《唯舞独尊 演唱会鲜听版&混音》中。12月，蔡依林开始“唯舞独尊世界巡回演唱会”，并在澳门、香港、吉隆坡、纽约和悉尼等多座城市举行，累积逾50万人观赏。

2007年2月17日，蔡依林再次登上央视春晚舞台，与陶喆对唱《今天你要嫁给我》，吸引中国大陆逾七亿观众欣赏，也让该曲创造720万次的彩铃下载量。6月，蔡依林发行具有纪录性的第二张巡演实录《地才》，记录蔡依林于“唯舞独尊世界巡回演唱会”台北场的部分表演内容与幕后花絮。9月21日，蔡依林推出以特务造型风为主题的专辑《特务J》，收录了《日不落》、《冷暴力》等在内的12首歌曲。9月5日，蔡依林推出的专辑同名音乐微电影《特务J》在台湾西门町今日数位影城完整首播；但这部音乐电影并未在传统影院公映，而是被放在专辑预售版本之一的“影音合体华丽特定盘”中作为DVD搭配歌曲的形式在市场上发行，且因部分敏感内容遭中国大陆、新加坡认定违规，加上台湾公司不肯妥协，最终导致此片被禁止在两地电视台播映。10月，蔡依林受邀参加澳洲女歌手凯莉·米洛于英国伦敦的纪录片《璀璨光芒》首映礼，二人表示将有音乐上的合作；11月，蔡依林与凯莉·米洛合唱的歌曲《In My Arms》发行。

2008年，蔡依林一整年都未发表国语专辑，仅有的英文唱片《爱的练习语》也因EMI高层人事变动而从原定3月发行推迟至10月份。4月，蔡依林参与演唱2008年夏季奥林匹克运动会倒数一百天主题歌曲《北京欢迎你》。10月30日，蔡依林翻唱西洋情歌，推出首张英文专辑《爱的练习语》并同时发行英文书籍《Love Exercise 爱的练习语》，专辑收录了《Kiss Me》、《Angel》等在内的10首歌曲。同年，歌曲《Love Love Love》在中国北京奥运会赛场的播送下获得荷兰X-Tips单曲榜冠军，并打破历史指数纪录，成为首位夺冠的亚洲歌手，并被法国杂志《亚洲音乐》评选为十位亚洲最佳女歌手之一。11月，获得第九届CCTV-MTV音乐盛典台湾地区最受欢迎女歌手奖。

2008年12月，蔡依林在北京水立方召开记者会宣布正式签约华纳唱片。

2009年2月，蔡依林与美国萨克斯第五大道百货公司合作成立服装品牌Seventy Two Changes，并陆续于全球超过三十座城市上市。3月27日，蔡依林发行了个人第十张专辑《花蝴蝶》，收录了《花蝴蝶》、《妥协》等在内的10首歌曲，并且她在拍摄整张专辑MV的舞蹈上首度尝试芭蕾鞭转与带有强烈地板动作的街头爵士动作。5月1日，蔡依林赴香港屯门市广场举办签唱会，在演唱《大丈夫》时因过度劳累导致失声，身体状况开始亮红灯。5月13日，蔡依林因练舞导致旧伤复发、大腿肌肉拉伤，故决定短暂“封舞”两个月。5月24日，蔡依林在台北“河岸留言”酒吧举办“愈慢愈美丽”慢歌演唱会，生平第一次演唱会全程坐着演唱，并演唱了专辑《花蝴蝶》中的5首抒情歌，翻唱了《我恨我爱你》、《好久不见》等其他歌手的5首歌曲。9月19日，在台湾进行公开露面后，蔡依林前往加拿大修读法文课程，以作调整。12月20日，蔡依林回国抵达北京，出席中国移动举办的“咪咕颁奖典礼”，宣布正式复工。

2010年4月，蔡依林担任上海世博会台湾馆代言人，并献唱主题曲《台湾心跳声》。8月13日，蔡依林发行个人第十一张录音室专辑《Myself》，收录了《美人计》、《无言以对》等15首歌曲；该专辑区别以往走向，快歌在专辑整体中的比重占有八成。8月，TVBS电视台公布“台湾最具影响力人物与品牌”民调报告，蔡依林位列女艺人第一名；12月24至26日，第三轮巡演MYSELF世界巡回演唱会在台湾拉开序幕。同年，蔡依林与林志玲入选“日本十大宅男女神”。

2011年7月，蔡依林发行个人首本塑体瘦身书《养瘦》，首度公开个人瘦身秘招。12月31日，参加在广州举行的湖南卫视跨年晚会，此为蔡依林首度在大陆跨年。

2012年9月14日，蔡依林发行第12张国语专辑《MUSE》，收录了《大艺术家》、《Dr. Jolin》等在内的11首歌曲，由此让蔡依林开始受到一些如Snoop Lion等独立音乐者的认可，且该张专辑于2013年被台湾中华音乐人交流协会评选为推荐唱片；蔡依林也凭借该张专辑夺得台湾年度女歌手销售榜冠军。12月，蔡依林入围德国主办第19届MTV欧洲音乐录影带“最佳亚洲艺人”等奖项。

2013年1月，蔡依林代表台湾地区赴法国戛纳MIDEM国际唱片大展进行演出。5月22日，蔡依林凭借专辑《MUSE》成功获得第24届台湾金曲奖最佳国语女歌手、最佳国语专辑奖与最佳年度歌曲提名。7月6日，蔡依林凭借歌曲《大艺术家》获得第24届台湾金曲奖最佳年度歌曲奖。10月19日，蔡依林发行第三张巡演实录《Myself世界巡回演唱会 台北安可场》，记录蔡依林于“Myself世界巡回演唱会”台北安可场的表演内容。

2014年6月16日，蔡依林为电影《小时代3》献唱主题曲《万花瞳》。11月初，公开歌曲《Play我呸》的MV。11月14日，蔡依林发行了个人第13张国语专辑《呸》，收录了《Play 我呸》、《第三人称》、《电话皇后》等10首歌曲；该专辑跳脱一般华语专辑框架，音乐饱满复杂且主题包罗万象。

2015年5月22日~5月24日，蔡依林一连三天登上台北小巨蛋，正式开启“Play世界巡回演唱会”。5月18日，蔡依林入围第26届台湾金曲奖最佳国语专辑奖、最佳年度歌曲等九项奖。6月27日晚，蔡依林以及她的制作团队获得第26届台湾金曲奖最佳演唱录音专辑奖、最佳单曲制作人奖和最佳国语专辑奖三项奖项。7月4日，作为“Play世界巡回演唱会”内地首站的广州演唱会在广州国际体育演艺中心起航。10月6日晚，蔡依林率九人编制的Live band压轴亮相在上海浦东世博公园举行的“简单生活节”演唱会。11月10日晚，蔡依林出席湖南卫视双十一晚会，并连唱带跳给观众展示三首歌曲。12月2日，蔡依林代表中国出席韩国年度盛事Mnet亚洲音乐大奖（MAMA），演唱了歌曲《PLAY我呸》，并且登上韩国Naver热搜榜。

2016年2月，蔡依林为迪士尼经典动画长片《疯狂动物城》中文版中哈茱蒂一角配音，为其个人首部动画配音作品。5月3日，“时尚奥斯卡”MetBall在纽约大都会博物馆华丽举行，蔡依林作为本场唯一的华人歌手受邀出席。10月31日，发行单曲《恋我癖EGO-HOLIC》。

2017年2月2日，蔡依林参加辽宁春晚演出。2月22日，蔡依林受邀2017秋冬米兰时装周，这是蔡依林第一次出征米兰时装周，也是她继维密秀之后，再度亮相国际时尚盛事。6月20日，与荷兰DJHardwell共同推出电音单曲《We Are One》，这是蔡依林首次尝试电音曲风，也是Hardwell首次与华语歌手合作。

2018年12月，推出暌违乐坛四年的专辑《UGLY BEAUTY》，以亲自参与音乐人集体创作的方式，完成专辑的歌曲；次年6月29日，该张专辑获得第30届台湾金曲奖“年度专辑”奖；同时凭借《玫瑰少年》获得“最佳年度歌曲”奖，而这也是她继《今天你要嫁给我》《大艺术家》后三度斩获该奖，令蔡依林成为台湾金曲奖历史上首位三度夺得“年度歌曲”奖的音乐人。12月24日，爱奇艺公布了新青年励志综艺《青春有你》导师团成员，蔡依林担任舞蹈导师。

2020年4月3日，蔡依林与陈奕迅合唱的英文抗疫公益歌曲《Fight as ONE》（《共同体的战斗》）发行；11月22日，蔡依林为电视剧《狼殿下》演唱的主题曲《我是谁》、片尾曲《倒流》、插曲《对立面》发行。

2021年3月21日，蔡依林与R3HAB合作的《和平精英》女生季闪耀推广曲《Stars Align》上线。10月21日，发行与Steve Aoki、MAX合作的歌曲《都没差》《Equal in the Darkness》。

2022年12月9日，蔡依林发行单曲《亲爱的对象》。

2023年7月15日消息，快手公布蔡依林入驻之后首次直播的战报，直播预约人数近2000万，直播最高同时在线人数超过695万，直播总互动量达8.1亿；10月31日，蔡依林为Netflix影集《此时此刻》演唱的主题曲《Someday, Somewhere》发行；11月20日，蔡依林发行单曲《OH LA LA LA》；12月31日，参加的《2023-2024湖南卫视跨年晚会》在湖南卫视、芒果TV同步直播，表演节目《热冬》《大丈夫》《怪美的》《马德里不思议+日不落》《I'M NOT YOURS+舞娘》《OH LA LA LA》。

2024年2月10日，参加《2024年北京广播电视台春节联欢晚会》，表演节目《日不落》《Don't Stop》；8月，蔡依林UGLY BEAUTY演唱会于厦门圆满收官，2023至2024年间，她进行25城巡演，呈现40场精彩舞台。

周杰伦与蔡依林曾因工作原因，关系发生了微妙的变化，在乐坛上被称作是一对金童玉女，但两人并未承认。2013年7月底，蔡依林接受采访时首度承认与周杰伦的旧情，并爆出当初分手的原因，坦言已经过去了，两人是朋友。

2009年，蔡依林与锦荣的恋情曝光。2012年2月14日，锦荣首次在微博中向蔡依林公开示爱，祝其情人节快乐。2014年4月，蔡依林在接受媒体专访时正式承认恋情。

2016年11月，蔡依林、锦荣两人分手。

蔡依林之所以成为流行乐坛的一个符号，凭借的不止是她的音乐、形象与舞蹈，更多的是她身上那种不服输、不怕死的精神以及无限延伸的可能性。在偏好抒情曲风的华语乐坛，蔡依林凭借自己单薄的嗓音条件打造出的一片天地可谓是来之不易，从来没有其他任何一位华语女歌手可以在舞曲的道路上一走到底。当同期出道的女歌手们原地踏步抑或光速退步的时候，唯有蔡依林一直坚守在华语乐坛一线，通过不断的进步来证明自己在音乐上的追求。从专辑《看我72变》开始，蔡依林就转型改走性感路线，从《舞娘》到《特务J》，再从《花蝴蝶》到《美人计》，性感程度愈演愈烈。这个小小身躯的女子，身体蕴藏的爆发力，一次又一次的证明她的出色以及亮眼。至于每张新专辑必出的抄袭以及造型之争，反而成为热舞场中的不和谐的音乐，习惯了就好，毕竟蔡依林已经成为了很成功的商业歌手，这样就够了。（腾讯娱乐、新浪音乐 评）

蔡依林是“地才”，她所获得的都是一步步努力拼出来的，她和现实生活中一些人一样，只希望勤恳的耕耘能看到收获，而她之所以这么成功的原因，就是她努力得更多。蔡依林有着“女汉子”的意志力，无论在音乐还是表演方面，她都吃得苦、耐得劳。虽然被网友抨击造型土，但她努力修养时尚经；被评价舞蹈功底差，她就挑战高难度的体操、芭蕾、钢管舞、voguing……而伴随蔡依林每一阶段的进化，金曲奖都为她做了“见证”，让流言不攻自破。（中国网、华龙网 评）

2002年7月，台湾仲裁协会判定蔡依林与大声工作室提前中止合约，由蔡家支付大声900万台币违约金。另外大声控告蔡依林侵犯著作权的态度也有软化迹象。

2003年，蔡依林选择重回公众视野，有网友指出其疑似接受了“整鼻子”整容手术，蔡依林否认传闻，并称“没做过的事儿就不必去理会”。

2005年8月，蔡依林因涉嫌违规驾驶引来5名市民投诉，指其驾车时闯红灯并且违规左转，交警却多次放马过关，从而引起舆论批评。蔡依林翌日向公众道歉。

2008年2月，大陆互联网上广泛转载一段蔡依林在泰国受访将香港误称为“国外”的受访视频，被网友定性为“泛绿”掀起讨伐声浪。经调查发现，该视频录于2006年8月19日，且在台湾年代新闻台《晚安年代》节目中播出，但当时却未引发轰动。对此蔡依林道歉及澄清，并在多个公开场合重申中国人身份。

2009年3月，滨崎步《NEXT LEVEL》的电视广告引质疑。由于二人曾卷入抄袭纠纷，广告词却将“10下一步，超越滨崎步”中的“十”念成“壹零”，从而触动敏感神经，引发口水战。网友批评滨崎步频繁模仿海外艺人，包括蔡依林在内的多位台湾歌手也成抄袭对象。事件登上日本雅虎首页，滨崎步所在的艾回唱片出面解释称该广告追求押韵，并非影射，但对抄袭争论未予回应。而蔡依林稍早回应此事时，表示曾在演唱会上模仿麦当娜的瑜伽创意，但对于滨崎步，她认为“没有意义”，并以“清者自清”回击。