En 1996, accompagnée de son jeune fils, elle déménage à Paris où elle fait la connaissance de Christian Loigerot, qui deviendra par la suite l’un de ses compositeurs. Elle rencontre également Orlando, frère de Dalida, qui l'encadre et donne une nouvelle impulsion à sa carrière. L’expérience et le professionnalisme de ce mentor marquent profondément la jeune chanteuse, mais elle reste sous contrat avec son premier producteur.

Un début de succès commence avec Je vous aime adieu, single extrait du premier album de la chanteuse, Cœur de verre (1996), et le duo Vivo per lei, interprété avec Andrea Bocelli. Hélène Ségara interprète ensuite le rôle d'Esméralda dans la comédie musicale Notre-Dame de Paris composée par Richard Cocciante. Alors qu'elle avait auditionné pour ce rôle en 1997, elle n'est sélectionnée qu'en 1999, suite au désistement de la chanteuse israélienne Noa. « Quand le destin frappe à la porte une seconde fois, il ne faut pas le laisser s'enfuir » a déclaré Hélène Ségara.

Sa carrière est mise en danger lorsqu'on lui diagnostique un kyste aux cordes vocales, en pleine tournée. Au cours d'une représentation au Canada, elle perd sa voix. La chanteuse doit se faire opérer, et son producteur revend alors son contrat à Orlando.

Après un repos forcé, elle enregistre son second opus, Au nom d'une femme, en 2000. Grâce aux tubes Il y a trop de gens qui t'aiment, Elle tu l'aimes, Parlez-moi de nous et Tu vas me quitter, l'album se hisse au sommet des tops 50, et devient disque de diamant. Hélène Ségara entame alors une tournée de deux ans. Un enregistrement vidéo du concert qu'elle a donné à l'Olympia de Paris à l'occasion de cette tournée est commercialisé. Un sondage IFOP la consacre « chanteuse française préférée des Français » ^{[réf. nécessaire]}.

En mars 2003 sort son troisième album, Humaine, avec notamment On n'oublie jamais rien, on vit avec (en duo avec Laura Pausini) et L'amour est un soleil, composé par Romano Musumarra. 700 000 exemplaires de cet album sont vendus. Elle repart en tournée fin 2003, mais doit interrompre ses représentations en raison d'une grossesse difficile. En août de la même année, Hélène Ségara épouse à Ajaccio Mathieu Lecat (fils du journaliste Didier Lecat), avec qui elle a eu deux autres enfants : Matteo (mai 2003) et Maïa (octobre 2004).

Son quatrième album studio, Quand l'éternité..., sort en 2006, porté par les singles Méfie-toi de moi et Rien n'est comme avant. Il s'agit d'un album au style différent des précédents, aux influences rock plus marquées, avec des textes pour la plupart composés par l’interprète, et qui abordent des thèmes tels que l'absence, la mort et l'espérance. Ce changement musical n'empêche pas l'album d'être certifié disque d'or après 3 mois d'exploitation. Il s'en est écoulé à ce jour plus de 200 000 exemplaires. Début 2007, elle part alors en tournée en France en passant notamment par Paris, au Palais des Sports.

Après avoir édité plusieurs compilations, elle sort en février 2008 un duo inédit avec Bruno Pelletier, La moitié de nous, dont une partie des bénéfices est reversée à l'association Rêves. L'année 2008 est également consacrée à l'enregistrement d'un nouvel album. Sorti le 17 novembre, Mon Pays, c'est la Terre est composé de 16 reprises de chansons provenant de différents pays, et contient notamment un duo avec la chanteuse Maurane. Une nouvelle tournée, Un Tour de la Terre, débute le 16 novembre, passant entre autres par l'Olympia de Paris.