Además de los roles para televisión que obtuvo a partir de los 7 años, Freddie Highmore tuvo su debut cinematográfico con la cinta Women Talking Dirty (1999), a la cual siguió la serie de televisión The Mists of Avalon (2001) en el canal TNT. En 2004, Freddie regresó a la pantalla grande con Two Brothers y actuó al lado de Kenneth Branagh en Five Children and It (2004). 

Con la cinta Finding Neverland (2004), Highmore se posicionó como uno de los actores jóvenes más prometedores de su generación. Su papel de Peter Llewelyn Davies le brindó nominaciones en distintos premios como los Critics' Choice Awards, los Saturn Awards y los Screen Actors Guild Awards. El éxito continuaría con Charlie y la fábrica de chocolate (2005), película de Tim Burton en la que fue protagonista al lado de Johnny Depp. 

Posteriormente, Freddie trabajó con Ridley Scott en A Good Year (2006) y prestó su voz para la película The Golden Compass en 2007. Ese mismo año, el actor participaría en August Rush y en 2008 estrenaría la cinta de fantasía The Spiderwick Chronicles. Más tarde, Highmore comenzaría a tomar papeles más adultos y protagonizaría cintas como The Art of Getting By (2011) y The Journey (2016). 

Además de sus proyectos en cine, Freddie Highmore personificó al asesino serial Norman Bates en el programa de televisión Bates Motel (2003-2007). La serie tuvo una duración de cinco temporadas y le dio a Highmore la oportunidad de trabajar con Vera Farmiga, quien interpretó a su madre, Norma Bates, a lo largo de la historia. Actualmente, Freddie se encuentra trabajando en el drama para televisión The Good Doctor (2017). 

Su interés por la dirección y el guionismo lo llevaron a escribir dos episodios de Bates Motel, así como a dirigir uno de ellos.