2009年，出演电影《十月围城》；同年参演《建国大业》。
2010年，参演由徐克执导，刘德华、刘嘉玲、李冰冰等主演电影《狄仁杰之通天帝国》，获第30届香港电影金像奖好佳男配角提名奖；同年主演电影《李小龙》，获第30届香港电影金像奖好佳男主角提名。[10]
2011年，参演历史片《建党伟业》饰“范源濂”，该片于2011年6月15日全国正式公映。
2012年，主演《寒战》饰演“李文彬”，凭借该片获得第32届香港电影金像奖好佳男主角奖及第50届金马奖好佳男主角提名；同年出演冯德伦执导的《太极1从零开始》和《太极2：英雄崛起》。
2013年，出演喜剧爱情电影《越来越好之村晚》，该片于2013年正月初一全国上映。2014年，参演了贺岁片《金鸡sss》。
2014年，梁家辉在《智取威虎山3D》饰演的座山雕，并2016年凭借该片于第35届香港金像奖提名好佳男主角奖。
