Nel giugno del 2009 si esibisce ai Wind Music Awards e viene premiata dall'associazione dei discografici come giovane rivelazione dell'anno. Poche settimane dopo ha eseguito al programma "Una voce per Padre Pio" la canzone Piccola rosa, annunciando l'uscita del singolo Te lo volevo dire, che insieme a Io sono hanno promosso l'album, pur non avendo trovato il successo del singolo d'esordio. Il 21 dello stesso mese ha partecipato al concerto "Amiche per l'Abruzzo", organizzato da Laura Pausini, insieme ad altre quaranta cantanti italiane allo stadio San Siro di Milano, evento benefico in favore dei terremotati del terremoto dell'Aquila del 2009. Nel mese di settembre partecipa alla cerimonia di inaugurazione dell'anno scolastico "Tutti a scuola 2009" al Palazzo del Quirinale. Nel 2010 torna al Festival di Sanremo con la canzone Malamorenò, che ha accompagnato l'uscita dell'omonimo album. Malamorenò è cantata con l'ausilio delle Sorelle Marinetti, trio en travesti che ha collaborato nei cori del brano. La canzone, giunta alla serata finale del festival senza classificarsi tra le prime tre, è contenuta nel secondo disco di Arisa, anche questo intitolato Malamorenò e pubblicato dall'etichetta Warner Music Italy,

Successivamente ha sperimentato nuovi ruoli sia in televisione, come presenza fissa del programma di La7 Victor Victoria - Niente è come sembra e come giudice della quinta e sesta edizione italiana del talent show X Factor, sia al cinema, debuttando come attrice.  Nel 2011 Arisa torna sul palco del Festival di Sanremo in occasione della serata dedicata ai 150 anni dell'Unità d'Italia, duettando per l'occasione con Max Pezzali nel noto brano Mamma mia dammi cento lire. Sempre nel 2011 Arisa partecipa come giudice della quinta edizione di X Factor in onda su Sky Uno assieme a Morgan, Elio e Simona Ventura portando un'artista della sua categoria, quella degli Over, al debutto discografico con un inedito e al terzo posto complessivo nel Talent. Nello stesso anno debutta anche al cinema interpretando il ruolo di Chiara nel film diretto da Ricky Tognazzi "Tutta colpa della musica". La pellicola, che vede nel cast anche Stefania Sandrelli, Marco Messeri, Elena Sofia Ricci, Monica Scattini, Debora Villa e lo stesso Tognazzi, presentata alla 68ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia e distribuita in tutte le sale cinematografiche italiane dal 9 settembre 2011. Sempre nel 2011 incide il singolo L'amor sei tu, scritto con Naïf Hérin, per la colonna sonora del film La peggior settimana della mia vita di Alessandro Genovesi, in cui la stessa cantante recita al fianco di Fabio De Luigi, Cristiana Capotondi, Andrea Mingardi e Alessandro Siani. Il 26 dicembre 2011 viene reso disponibile il primo extended play della cantante intitolato Arisa per Natale, da cui, il 6 gennaio 2012, viene estratto il singolo Il tempo che verrà.

Nel 2012 Arisa torna al Festival di Sanremo  piazzandosi al secondo posto alle spalle di Emma con il brano La notte, che anticipa l'uscita del suo terzo album intitolato Amamiarrangiato e prodotto artisticamente da Mauro Pagani. Nella terza serata del Festival, quella dedicata all'Italia nel mondo, si esibisce in duetto con Josè Feliciano in una versione del celebre brano Che sarà. Nella serata dei duetti, ha interpretato il brano in gara con Mauro Ermanno Giovanardi. Il singolo La notte è stato dichiarato doppio disco di platino della Fimi avendo raggiunto i 60.000 download digitali. L'amore è un'altra cosa viene estratto come secondo singolo il 4 maggio 2012 e, esattamente quattro mesi dopo, viene certificato disco d'oro con oltre 15.000 download digitali. Sempre nel maggio 2012 viene scelta come cantante dell'Inno di Mameli prima della finale di Coppa Italia 2012 Juventus-Napoli. Nel giugno dello stesso anno Amami raggiunge il traguardo delle 30.000 copie vendute venendo certificato disco d'oro dalla FIMI. Nello stesso anno pubblica il suo primo romanzo Il Paradiso non è granché (Storia di un motivetto orecchiabile). È stata riconfermata a maggio come giudice della sesta edizione di X Factor, svoltosi dal 20 settembre al 7 dicembre 2012, insieme al resto della giuria dell'edizione precedente.

Il 26 ottobre 2012, esce Meraviglioso amore mio, brano scritto da Giuseppe Anastasi. Il singolo è colonna sonora originale del film di Fausto Brizzi, Pazze di me, uscito nel gennaio 2013. Il 20 novembre 2012 era intanto uscito Amami tour, album con i grandi successi di Arisa registrati dal vivo ed alcune cover famose, oltre a due inediti, fra cui Meravigliosamente amore mio. Arisa è fra gli interpeti del cinepanettone di Christian De Sica Colpi di fulmine. Nel 2013 Arisa è ancora al cinema interpretando il doppio personaggio femminile Lucy nel film di animazione Cattivissimo me 2.

Nel 2014 vince la sessantaquattresima edizione del Festival di Sanremo con la canzone Controvento (scritta da Giuseppe Anastasi), il 20 febbraio 2014 esce l'album Se vedo te che contiene anche Lentamente, l'altro brano presentato a Sanremo (scritto da Cristina Donà e Saverio Lanza).

Il 6 aprile 2014 partirà da Roma il nuovo tour della cantante,mentre il 6 aprile, uscirà nelle sale italiane il film d'animazione Barry, Gloria e i Disco Worm, distribuito da Filmnet, nel quale Arisa dà la voce alla protagonista Gloria.