A Szoba sikere után Larson főszerepet játszott a Szabad tűz (2016) című akció-vígjátékban, amely egy raktárban zajló lövöldözésről szól. Azért vállalta a projektet, hogy felhívja a figyelmet a fegyveres erőszakra. Eric Kohn az IndieWire-től megjegyezte, hogy Larson szerepe mennyire más, mint a Roomé volt, és hozzátette, hogy “üzleties viselkedése ismét bizonyítja, hogy képes egyetlen pillantással irányítani egy jelenetet”. A film kereskedelmi szempontból nem hozta vissza a 7 millió dolláros befektetését. Szerepet forgatott Todd Solondz Wiener-Dog című vígjátékában, de kivágták, amikor Solondz úgy találta, hogy karaktere lényegtelen a történet szempontjából. A következő évben Larson szerepelt a MonsterVerse franchise második részében, a Kong: Koponya-sziget című filmben, Tom Hiddleston és Samuel L. Jackson főszereplésével. A Vietnamban forgatott filmben egy fotóriportert alakított az 1970-es években. Ez volt az első nagy költségvetésű projektje, és bár örült, hogy olyan szerepet játszhatott, amelyet nem a külseje határoz meg, sajnálkozott a női társszereplők hiánya miatt. Ann Hornaday, a The Washington Post munkatársa dicsérte a film vizuális effektusait, és úgy vélte, hogy “Larson nagyon kevés feladat mellett is megállja a helyét”. A Kong: Koponya-sziget kereskedelmi siker volt, világszerte több mint 566 millió dollárt keresett.
Larson a Marvel kapitányt népszerűsíti 2019-ben
Később, 2017-ben Larson alakította Jeannette Walls-t Az üvegvárban, Walls memoárjának adaptációjában, amelyben újra összejött Destin Daniel Crettonnal. A film egy fiatal nő és nonkonformista szülei (akiket Woody Harrelson és Naomi Watts alakít) kapcsolatát meséli el. Larsont vonzotta a szülő-gyermek kapcsolat összetett ábrázolása, és azonosult a megbocsátás témájával. Szorosan együttműködött Walls-szal és testvéreivel, és megfigyelte manírjaikat. Peter Bradshaw a The Guardiantól nem szerette a film szentimentalizmusát, de megjegyezte, hogy “megmenti, csak egy kicsit, Brie Larson robosztus jelenléte”. Szintén rosszul fogadták a Basmati Blues című, Indiában játszódó zenés románcot, amelyet még 2013-ban forgatott, és amely a közösségi médiában kritikát kapott a fehér megmentő narratívája miatt. A 2017-es Torontói Nemzetközi Filmfesztiválon mutatták be Larson nagyjátékfilmes rendezői debütálását, az Unicorn Store című vígjáték-drámát, amelyben a főszerepet is ő játszotta. A filmet később a Netflix választotta digitális forgalmazásra 2019-ben. Egy kiábrándult művészeti hallgatót alakított, akit elbűvölnek az egyszarvúak. Larson 2012-ben sikertelenül jelentkezett a film főszerepére, amikor Miguel Arteta volt a rendező. Miután a produkció elakadt, Larsonnak ajánlották fel a rendezést és a főszerepet. Vonzódott a fantáziadús történethez, és kapcsolatot talált a karaktere utazása és a rendezőként szerzett tapasztalatai között. David Ehrlichnek az IndieWire-től nem tetszett a film, de felfigyelt Larson filmes potenciáljára.
A filmvászontól való egyéves távollét után Larson a Marvel Cinematic Universe Marvel kapitánya (2019) című szuperhősfilmjében Carol Danvers / Captain Marvel szerepét játszotta, ami a Marvel Studios első női főszereplésével készült filmje volt. Bár kezdetben szkeptikus volt egy ilyen kiemelt szerep elvállalásával kapcsolatban, beleegyezett, miután a fiatal nők megerősítésének platformjaként tekintett rá, és megtalálta a kapcsolatot a karakter hibáival és emberségével. A szerepre való felkészülés során kilenc hónapon át judo-, boksz- és birkózóedzéseket végzett, és a Nellis Légitámaszponton kapcsolatba került a katonákkal. Stephanie Zacharek a Time-tól azt írta, hogy “Larson, az éleslátó, visszafogott színésznő, remekül viszi az egész ügyet”, és megjegyezte, hogy mennyire kitűnt a film csendesebb pillanataiban; David Sims a The Atlantic-tól azt fájlalta, hogy a szerepe nem volt mély, de dicsérte a színésznőt, amiért hatásosan ábrázolta karakterének a tekintélyelvű férfiaktól való függetlenségért folytatott küzdelmét. Larson a Bosszúállókban ismét eljátszotta szerepét: Endgame című filmben, amelyet a Marvel Kapitány előtt forgatott. A Végjáték világszerte 2,79 milliárd dollárt keresett, ezzel minden idők legnagyobb bevételt hozó filmje lett, a Marvel kapitány pedig az első női főszereplővel készült szuperhősfilm lett, amely világszerte több mint 1 milliárd dollárt gyűjtött be.
Szintén 2019-ben Larson harmadszor is összeállt Destin Daniel Crettonnal a Just Mercy című filmben, amely Bryan Stevenson memoárja alapján készült, a halálraítélt Walter McMillian jogtalan elítéléséről, Michael B. Jordan és Jamie Foxx főszereplésével. Beleegyezett, hogy elvállalja Eva Ansley, az Equal Justice Initiative szószólójának mellékszerepét, hogy ezzel is támogassa Cretton történetmesélését. Owen Gleiberman a Variety című lapnak írva megjegyezte, hogy milyen jól adta vissza karaktere “ideges, cigarettázó védekező kedvét”. A következő évben Larson producere és szereplője volt a The Messy Truth VR Experience című virtuális valóság sorozat egyik epizódjának, amelyért elnyerte a Primetime Emmy-díjat a kiemelkedő eredeti interaktív programért.
Következő projektek
Larson elkötelezte magát, hogy újra eljátssza Danvers szerepét az eredeti Marvel Kapitány film közelgő folytatásában. Emellett három közelgő projektje is van a streaming televízió számára. Ő lesz a producer és a főszereplő Victoria Woodhull, az amerikai történelem első női elnökjelöltje az Amazon Studios által gyártott azonos című életrajzi filmben. Larson lesz a főszereplője az Apple TV+ drámasorozatának is, amely Amaryllis Fox CIA-tiszt életén alapul, valamint a Netflix Lady Business című filmjének, amely a női vállalkozók kihívásairól szól.