Son second long métrage, The Rider, est présenté à la Quinzaine des réalisateurs au Festival de Cannes 2017 où il remporte le Prix Art Cinema du meilleur film de cette sélection parallèle[5]. Il est ensuite sélectionné au Festival du cinéma américain de Deauville 2017 où il remporte le Grand prix[6]. À la 33e édition du Film Independent's Spirit Awards, les prix qui récompensent le meilleur du cinéma indépendant aux États-Unis, le film The Rider permet à Chloé Zhao de remporter la première édition du Bonnie Award[7]. Le Bonnie Award a été nommé ainsi en hommage à Bonnie Tiburzi Caputo, première femme pilote dans une ligne aérienne commerciale. Elle avait été embauchée en 1973, à l’âge de 24 ans, par American Airlines, qui commandite le prix. Cette bourse de 50 000 $ permet d'encourager les femmes cinéastes en milieu de carrière[7].
En septembre 2018, elle est choisie pour réaliser le long métrage Les Éternels pour Marvel Studios avec Angelina Jolie et Salma Hayek en actrices principales[13]. Le film sort en France en novembre 2021[14]. Il s'avère que Chloé Zhao est depuis toujours une grande connaisseuse de l'univers des Marvel Comics, et du MCU et qu'elle a elle-même proposé ses services à Kevin Feige, étant un moment pressentie pour réaliser Black Widow, avant de s'atteler à l'écriture du scénario des Éternels[15]. Elle impose d'ailleurs sa vision, délaissant au maximum les « écrans verts » et les effets spéciaux tapageurs pour tourner le plus possible en extérieur[15]
Chloé Zhao a quitté la Chine à l’âge de 15 ans, pour aller étudier en Grande-Bretagne puis vivre aux États-Unis[11]. Cet éloignement, conjugué aux critiques qu'elle a exprimées sur la Chine lui vaut d'être vue par certains Chinois comme une « traîtresse »[16]. En 2013, dans une interview pour Filmmaker Magazine, elle dit se rappeler la Chine de son enfance comme un pays où « le mensonge est partout »[17].
En 2020, une de ses interviews pour le journal australien News.com suscite la polémique : le texte change de version[11]. Dans la première version, Chloé Zhao est citée ainsi : « Les États-Unis sont maintenant [now] mon pays. ». L'article est ensuite rectifié ainsi : « Les États-Unis ne sont pas [not] mon pays[18]».
Son film The Rider n'est pas distribué en Chine[11]. Nomadland devait sortir en , mais le film subit des menaces de censure.