1939-től Welles (és a Mercury Theater stábja) Los Angelesbe tette át székhelyét. Kiszállt híressé vált rádióműsorának szerkesztéséből, és Herman Mankiewicz forgatókönyvíró közreműködésével 1941-ben elkészítette az Aranypolgár című filmet. A mozgókép forradalmi koncepcionális újdonsága, hogy egy főszereplő egyidejűleg történő rendkívül sokféle megítélésére törekszik, a történet különböző szereplőinek szemszögéből.

A film főszereplőjét Welles a nagy hatalmú sajtómágnásról, William Randolph Heartsről mintázta, aki azonnal támadást indított a film ellen. A Hearts-konszern minden lapja hevesen kritizálta és elutasította a munkát, ami hamarosan megbukott a jegypénztáraknál. Habár az alkotás számos Oscar-jelölés közül elnyerte a legjobb eredeti forgatókönyv díját, az RKO és a hollywoodi filmvilág bukásnak tekintette. Csupán később - a fiatal francia filmkritikusok, elsősorban André Bazin érdemének köszönhetően - fedezték fel Welles mesterművét és ismerték el annak filmtörténeti jelentőségű érdemeit. 1958-ban a brüsszeli világkiállítás alkalmából minden idők 12 legjobb filmje közé választották. Fél évszázaddal később, az ezredforduló globális szavazásain pedig minden idők legjobb filmjévé választották.

Rendezései 

• Hearts of Age (1934) – Welles első filmje, 18 évesen készítette némafilmjét.
• Too Much Johnson (1938)
• Aranypolgár (Citizen Kane) (1941) – Oscar-díj a legjobb eredeti forgatókönyvért; jelölték még a legjobb férfi főszereplő, legjobb film és legjobb rendezés kategóriában.
• Az Ambersonok ragyogása (The Magnificent Ambersons) (1942) – Oscar-jelölés a legjobb film díjára; Welles kívánsága ellenére lerövidítették és megvágták, illetve több részt újraforgattak, az eredeti változat elveszett
• Az óra körbejár (The Stranger) (1946)
• A sanghaji asszony (The Lady from Shanghai) (1947) – Welles kívánsága ellenére lerövidítették és megvágták, az eredeti változat elveszett
• Macbeth (1948) – Welles kívánsága ellenére lerövidítették és megvágták, az eredeti változatot nemrégiben helyreállították
• Othello (1952) – Arany Pálma győzelem, 1952-es cannes-i filmfesztivál
• Bizalmas jelentés (Mr. Arkadin aka Confidential Report) (1955) – Welles kívánsága ellenére lerövidítették és megvágták, az eredeti változatot 2006 áprilisában adták ki
• A gonosz érintése (Touch of Evil) (1958) – díjat nyert a brüsszeli világkiállításon; Welles kívánsága ellenére lerövidítették és megvágták, az eredeti változatot nemrégiben helyreállították
• A per (The Trial) (1962)
• Éjféli harangszó (Chimes at Midnight) (1965)
• Halhatatlan történet (The Immortal Story) (1968)
• The Deep (1970) – befejezetlen
• The Other Side of the Wind (1970-76) – kiadatlan, helyreállítás folyamatban
• F for Fake (aka Vérités et mensonges) (1974)

Egyéb filmjei 

• Swiss Family Robinson (1940) – narrátor
• It's All True (1942)
• Utazás a félelembe (Journey Into Fear) (1943) – színész, Norman Foster társrendezője.
• Jane Eyre (1944) – színész (Rochester)
• Párbaj a napon (Duel in the Sun) (1946) – narrátor
• Monsieur Verdoux (1947) – ötlet
• A harmadik ember (The Third Man) (1949)- színész, dialóg
• Moby Dick (1956) – cameo jelenet, mint színész
• Man in the Shadow (1957) – színész
• Hosszú, forró nyár (1958) Will Varner
• Compulsion (1959) – színész
• A túró (La ricotta) (1962) – színész
• Ember az örökkévalóságnak (A Man for All Seasons) (1966) – színész
• I'll Never Forget What's'isname (1967) – színész
• Casino Royale (1967) – mint Bond ellensége, Le Chiffre ("Zero" or "The Cipher")
• Don Quixote (1969, version released 1992) – író, rendező, színész
• A neretvai csata (1969) – mint Chetnik szenátor
• Start the Revolution Without Me (1970) – narrátor, cameo jelenet
• A 22-es csapdája (Catch 22) (1970) – színész
• Waterloo (1970) – színész
• Flame of Persia (1972) – Dokumentumfilm, narrátor
• The Muppet Movie (1979) – cameo
• History of the World, Part One (1981) – narrátor
• The Dreamers (1980–82, befejezetlen) – színész, író, rendező
• Transformers: The Movie (1986) – hang