2003年，与章子怡、李冰冰共同主演谍战片《紫蝴蝶》，该片入围戛纳电影节，刘烨凭借此片获得第四届华语电影传媒大奖内地最受欢迎男演员奖。同年主演电影《花儿怒放》，饰演年轻的教师丁天，该片获中国电影童牛奖。12月，主演电影《青春爱人事件》，该片入围第17届东京国际电影节，获2005年底西班牙马德里实验电影节大奖，入围2006年4月意大利远东国际电影节。同年，接拍海岩生死恋三部曲之《拿什么拯救你，我的爱人》，在剧中饰演淳朴、善良、沉郁的龙小羽，并获得第3届中国电视艺术双十佳最佳演员奖。

2004年，与孙俪共同主演反映“老三届”故事的电视剧《血色浪漫》，饰演热情浪漫、潇洒不的叛逆男主角钟跃民。与舒淇联袂主演爱情电影《美人草》，刘烨在片中饰演阳光土气，青春逼人，霸气与痞气完美结合的傻男孩”刘思蒙“，并凭借该片获得第24届中国电影金鸡奖最佳男主角奖以及第10届中国电影表演艺术学会（金凤凰）优秀男演员奖；同年，与章子怡合作主演的电影《茉莉花开》获得第7届上海国际电影节评委会大奖。

2005年，刘烨参演由陈凯歌执导的奇幻史诗电影《无极》，饰演有着特异杀人功能的杀手“鬼狼”，该片入围美国金球奖最佳外语片奖。2005年，与袁泉合作舞台剧，孟京辉“爱情三部曲”的压轴篇《琥珀》，演唱主题曲《琥珀之歌》，在香港创下售票记录。

2006年，参演由张艺谋执导的商业片《满城尽带黄金甲》，并凭借该片获得香港电影金像奖最佳男配角提名和12届香港金紫荆奖最佳男配角提名。

2007年1月，与奥斯卡影后梅丽尔斯特里普主演剧情片《暗物质》，该片入围美国圣丹斯电影节，并获得Alfred P．Sloan奖；同时，刘烨开始尝试更多元化类型的角色，努力摆脱以往文艺青年的荧幕形象，并拓展戏路；同年，与吴彦祖、张震合作出演翻拍自《喋血街头》的动作电影《天堂口》，并在剧中饰演黑帮老大“大刚”，该片也成为第64届威尼斯国际电影节闭幕电影。

2008年，在与古天乐，大S合作的警匪片《保持通话》中饰演一头灰白短发搭配一身黑色大风衣的冷血杀手；同年，主演动作电影《硬汉》，扮演一位脑部受损伤的退役军人“老三”，为了演好这一角色，刘烨增重40斤，并凭借电影《硬汉》获得第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖。

2009年，在陆川执导的战争片《南京南京》中饰演悲壮牺牲的国民党军官陆剑雄，该片获得第57届西班牙圣塞巴斯蒂安国际电影节“金贝壳奖”以及最佳摄影奖，这也是中国电影首次获得该奖项。

2010年，主演都市爱情电影《无人驾驶》，饰演游离在高圆圆和李小冉扮演的两个女人之间的“志雄”，并与姚晨主演时尚爱情电影《爱出色》，饰演先锋艺术家亦鸿。搭档王珞丹出演舞台剧《琥珀》第二版，在各地共演出60场。

2011年，在献礼片《建党伟业》中扮演青年毛泽东；同年主演动作电影《硬汉2：奉陪到底》。

2012年，时隔8年再次与舒淇搭档出演刘伟强执导的爱情电影《不再让你孤单》，饰演踏实、接地气并且包容体贴的男主角方镇东 ；11月，与张震，吴彦祖再次合作主演陆川执导的历史古装电影《王的盛宴》，饰演复杂多疑的刘邦，并凭借该片获得亚洲电影大奖最佳男主角提名。

2013年3月，与张涵予、黄渤合作主演动作喜剧片《厨子戏子痞子》，刘烨在片中首次尝试逗比角色，饰演处处点头哈腰、唯唯诺诺，说话低声下气的汉奸厨子；6月27日，被法国文化部授予“法兰西文学艺术骑士勋章”；12月，与成龙领衔合作电影《警察故事2013》，该片以IMAX、3D和中国巨幕3D等效果上映，票房破5亿，并打破中国内地警匪片的票房纪录。主演抗日题材的电视剧《火线三兄弟》，饰演幽默厨子田二林。2013年，与赵薇，苏有朋，王伟忠等担任东方卫视《中国达人秀》“V5季”评委。

2014年，主演由刘和平创作的电视剧《北平无战事》，饰演飞行员方孟敖，该剧投资额达1.5亿，并获得“白玉兰奖”最佳中国电视剧奖。与赵文卓合作主演悬疑电影《全城通缉》 ，同年与林志玲主演电影《北京，纽约》。

2015年，刘烨与胡军，林永健，邹市明，夏克立加盟湖南卫视亲子户外真人秀节目《爸爸去哪儿第三季》。1月，主演曹保平执导的悬疑片《追凶者也》 ；2月，与刘亦菲，黎明共同出演由戴思杰执导的中法合拍爱情电影《夜孔雀》 ；6月，主演由萧峰执导的3D史诗电影《大轰炸》，该片为纪念反法西斯胜利70周年拍摄，以1937年起日本对重庆进行为期5年的空袭为历史背景。

2016年，凭电影《追凶者也》获得第19届上海国际电影节最佳男演员，影片则于同年9月14日上映。9月15日主演的战争电影《我的战争》上映。

2017年，主演革命史诗电影《建军大业》，刘烨在片中则再次饰演开国领袖毛泽东；6月，出任澳大利亚电影电视艺术学院奖（AACTA）最佳亚洲影片大评审团九名评审之一。

2019年2月4日，2019年央视春晚，刘烨与白宇演唱歌曲《时代号子》。4月，首次执导电影《我的佣兵生涯》。