2006年，參演由張藝謀執導的商業片《滿城盡帶黃金甲》，並憑借該片獲得香港電影金像獎最佳男配角提名和12屆香港金紫荊獎最佳男配角提名。
2007年1月，與奧斯卡影後梅麗爾斯特裏普主演劇情片《暗物質》，該片入圍美國聖丹斯電影節，並獲得Alfred P．Sloan獎；同時，劉燁開始嚐試更多元化類型的角色，努力擺脫以往文藝青年的熒幕形象，並拓展戲路；同年，與吳彥祖、張震合作出演翻拍自《喋血街頭》的動作電影《天堂口》，並在劇中飾演黑幫老大“大剛”，該片也成為第64屆威尼斯國際電影節閉幕電影。
2008年，在與古天樂，大S合作的警匪片《保持通話》中飾演一頭灰白短發搭配一身黑色大風衣的冷血殺手；同年，主演動作電影《硬漢》，扮演一位腦部受損傷的退役軍人“老三”，為了演好這一角色，劉燁增重40斤，並憑借電影《硬漢》獲得第3屆大學生影像節最受矚目男演員獎。
2009年，在陸川執導的戰爭片《南京南京》中飾演悲壯犧牲的國民黨軍官陸劍雄，該片獲得第57屆西班牙聖塞巴斯蒂安國際電影節“金貝殼獎”以及最佳攝影獎，這也是中國電影首次獲得該獎項
2010年，主演都市愛情電影《無人駕駛》，飾演遊離在高圓圓和李小冉扮演的兩個
女人之間的“誌雄”，並與姚晨主演時尚愛情電影《愛出色》，飾演先鋒藝術家亦鴻。搭檔王珞丹出演舞台劇《琥珀》第二版，在各地共演出60場。
2011年，在獻禮片《建黨偉業》中扮演青年毛澤東；同年主演動作電影《硬漢2：奉陪到底》。
2012年，時隔8年再次與舒淇搭檔出演劉偉強執導的愛情電影《不再讓你孤單》，飾演踏實、接地氣並且包容體貼的男主角方鎮東；11月，與張震，吳彥祖再次合作主演陸川執導的曆史古裝電影《王的盛宴》，飾演複雜多疑的劉邦，並憑借該片獲得亞洲電影大獎最佳男主角提名。
2013年3月，與張涵予、黃渤合作主演動作喜劇片《廚子戲子痞子》，劉燁在片中首次嚐試逗比角色，飾演處處點頭哈腰、唯唯諾諾，說話低聲下氣的漢奸廚子；6月27日，被法國文化部授予“法蘭西文學藝術騎士勳章”；12月，與成龍領銜合作電影《警察故事2013》，該片以IMAX、3D和中國巨幕3D等效果上映，票房破5億[，並打破中國內地警匪片的票房紀錄。主演抗日題材的電視劇《火線三兄弟》，飾演幽默廚子田二林。2013年，與趙薇，蘇有朋，王偉忠等擔任東方衛視《中國達人秀》“V5季”評委。
2014年，主演由劉和平創作的電視劇《北平無戰事》，飾演飛行員方孟敖，該劇投資額達1.5億，並獲得“白玉蘭獎”最佳中國電視劇
獎。與趙文卓合作主演懸疑電影《全城通緝》，同年與林誌玲主演電影《北京，紐約》。
2015年，劉燁與胡軍，林永健，鄒市明，夏克立加盟湖南衛視親子戶外真人秀節目《爸爸去哪兒第三季》 。1月，主演曹保平執導的懸疑片《追凶者也》；2月，與劉亦菲，黎明共同出演由戴思傑執導的中法合拍愛情電影《夜孔雀》；6月，主演由蕭峰執導的3D史詩電影《大轟炸》，該片為紀念反法西斯勝利70周年拍攝，以1937年起日本對重慶進行為期5年的空襲為曆史背景。
2016年，憑電影《追凶者也》獲得第19屆上海國際電影節最佳男演員，影片則於同年9月14日上映。9月15日主演的戰爭電影《我的戰爭》上映。
2017年，主演革命史詩電影《建軍大業》，劉燁在片中則再次飾演開國領袖毛澤東；6月，出任澳大利亞電影電視藝術學院獎（AACTA）最佳亞洲影片大評審團九名評審之一。
以上演員資料來源於百度百科