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*；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*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
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