Tras el éxito de Room, Larson protagonizó Free Fire (2016), una comedia de acción sobre un tiroteo en un almacén. Aceptó el proyecto para llamar la atención sobre la violencia armada. Eric Kohn, de IndieWire, comentó lo diferente que era el papel de Larson respecto al de Room y añadió que su «comportamiento empresarial demuestra una vez más su capacidad para dirigir una escena con una sola mirada». Comercialmente, la película no recuperó su inversión de 7 millones de dólares. Larson había rodado un papel en la comedia de Todd Solondz Wiener-Dog, pero fue eliminado cuando Solondz consideró que su personaje no era esencial para la historia. Al año siguiente, Larson protagonizó la segunda entrega de la franquicia MonsterVerse, titulada Kong: Skull Island, coprotagonizada por Tom Hiddleston y Samuel L. Jackson. Rodada en Vietnam, la película la presentaba como reportera gráfica en la década de 1970. Fue su primer proyecto de gran presupuesto y, aunque se alegró de interpretar un papel no definido por su aspecto, lamentó la falta de coprotagonistas femeninas. Ann Hornaday, de The Washington Post, alabó los efectos visuales de la película y opinó que «Larson se las arregla para mantenerse con muy poco que hacer». Kong: La isla calavera fue un éxito comercial, recaudando más de 566 millones de dólares en todo el mundo.
Larson promocionando a Capitana Marvel en 2019
Más tarde, en 2017, Larson interpretó a Jeannette Walls en El castillo de cristal, una adaptación de las memorias de Walls, que la reunió con Destin Daniel Cretton. Narra la relación de una joven con sus padres inconformistas (interpretados por Woody Harrelson y Naomi Watts). Larson se sintió atraída por la compleja representación de una relación paterno-filial y se identificó con su tema del perdón. Colaboró estrechamente con Walls y sus hermanos y observó sus gestos. A Peter Bradshaw, de The Guardian, no le gustó el sentimentalismo de la película, pero señaló que «se salva, sólo un poco, por la robustez de la presencia de Brie Larson». También fue mal recibido el romance musical ambientado en la India Basmati Blues, un proyecto que había rodado en 2013 y que recibió críticas en las redes sociales por su narrativa de salvador blanco. En el Festival Internacional de Cine de Toronto de 2017 se estrenó el primer largometraje de Larson, la comedia dramática Unicorn Store, que también protagoniza. Más tarde fue elegida para su distribución digital por Netflix en 2019. Interpretó a una estudiante de arte desilusionada y fascinada por los unicornios. Larson se presentó sin éxito en 2012 para protagonizar la película cuando Miguel Arteta se encargó de dirigirla. Después de que la producción se paralizara, se le ofreció a Larson dirigirla y protagonizarla. Se sintió atraída por la fantasiosa narrativa y encontró una conexión entre el viaje de su personaje y su experiencia como directora. A David Ehrlich, de IndieWire, no le gustó la película, pero tomó nota del potencial de Larson como cineasta.
Tras un año de ausencia de la pantalla, Larson protagonizó el papel de Carol Danvers / Capitana Marvel en la película de superhéroes del Universo Cinematográfico de Marvel, Capitana Marvel (2019), que supuso la primera película dirigida por una mujer de Marvel Studios. Aunque en un principio se mostró escéptica a la hora de aceptar un papel de tan alto perfil, aceptó después de verlo como una plataforma para empoderar a las mujeres jóvenes y encontró una conexión con los defectos y la humanidad del personaje. Para prepararse para el papel, se sometió a un entrenamiento de judo, boxeo y lucha libre durante nueve meses, y se relacionó con el personal del servicio en la base aérea de Nellis. Stephanie Zacharek, de Time, escribió que «Larson, una actriz perspicaz y discreta, lleva todo el asunto con capacidad» y destacó lo mucho que sobresalió en los momentos más tranquilos de la película; David Sims, de The Atlantic, lamentó la falta de profundidad de su papel, pero elogió a la actriz por retratar con eficacia la lucha de su personaje por independizarse de los hombres autoritarios. Larson volvió a interpretar su papel en Vengadores: Endgame, que había rodado antes que Capitana Marvel. Endgame recaudó 2.790 millones de dólares en todo el mundo para situarse como la película más taquillera de todos los tiempos, y Capitana Marvel se convirtió en la primera película de superhéroes dirigida por una mujer en recaudar más de 1.000 millones de dólares en todo el mundo.
También en 2019, Larson formó equipo con Destin Daniel Cretton por tercera vez en Just Mercy, basada en las memorias de Bryan Stevenson sobre la condena injusta del condenado a muerte Walter McMillian, protagonizada por Michael B. Jordan y Jamie Foxx. Aceptó el papel secundario de Eva Ansley, una defensora de la Iniciativa por la Justicia Igualitaria, para prestar su apoyo a la narración de Cretton. Escribiendo para Variety, Owen Gleiberman destacó lo bien que canalizaba la «actitud defensiva, inquieta y fumadora de cigarrillos» de su personaje. Al año siguiente, Larson produjo y apareció en un episodio de The Messy Truth VR Experience, una serie de realidad virtual, por la que ganó el premio Primetime Emmy al mejor programa interactivo original.
Próximos proyectos
Larson se ha comprometido a retomar su papel de Danvers en la próxima secuela de la película original de Capitana Marvel. También tiene tres próximos proyectos para la televisión en streaming. Será productora y protagonista de Victoria Woodhull, la primera mujer candidata a la presidencia en la historia de Estados Unidos, en un biopic homónimo producido por Amazon Studios. Larson también protagonizará una serie dramática de Apple TV+ basada en la vida de la agente de la CIA Amaryllis Fox, y la película de Netflix Lady Business, sobre los retos a los que se enfrentan las mujeres empresarias.