A pesar de sus dudas sobre convertirse en actriz, continuó trabajando con Altman, apareciendo en McCabe & Mrs.

Ese mismo año, apareció en un papel secundario (como escritora de Rolling Stone) en la comedia romántica satírica de Woody Allen, Annie Hall (1977), ganadora del premio Óscar a la mejor película y también presentó en Saturday Night Live.

Durante muchos años, Duvall se mantuvo alejada de los medios públicos, manteniendo su vida personal en general en privado.

Duvall reflexionó sobre su compromiso con el proyecto: «Me cansé de discutir y pensé que tal vez era actriz.

Duvall apareció como una groupie distraída en la comedia coral de Altman Nashville (1975), que fue un éxito comercial y de crítica, y una mujer comprensiva del Salvaje Oeste en Buffalo Bill and the Indians, o Sitting Bull's History Lesson (1976).

Aunque había un guion escrito, Duvall, al igual que otros miembros del elenco, improvisó muchas de sus líneas.

Los críticos del Texas Monthly Marie Brenner y Jesse Kornbluth elogiaron a Duvall por su «actuación extraordinaria».

Luego, Kubrick aisló intencionalmente a Duvall y realizó tomas agotadoras, como la escena del bate de béisbol, que había repetido 127 veces.

Durante los últimos nueve meses de rodaje, dijo que el papel le exigía llorar doce horas al día, cinco o seis días a la semana, y mencionó que «era muy difícil estar histérica durante tanto tiempo».

Tras la emisión del programa, el realizador Lee Unkrich, director de Toy Story 3, que estaba escribiendo un libro sobre El resplandor y llevaba años buscándola, se reunió con ella y confirmó que Duvall era capaz de mantener largas conversaciones coherentes.

Mientras filmaba Annie Hall en Nueva York en 1976, Duvall conoció al cantante y compositor Paul Simon.

[12]​ Duvall ha estado en una relación con el músico y exvocalista principal de Breakfast Club, Dan Gilroy, desde 1989.

La pareja comenzó su relación mientras coprotagonizaban el programa de Disney Channel Mother Goose Rock 'n' Rhyme, que también fue producido por Duvall.