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》[65-66] 。1月，主演曹保平执导的悬疑片《追凶者也》[67] ；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》[68-69] ；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[70] 。
2016年，凭电影《追凶者也》获得第19届上海国际电影节好佳男演员[71] ，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[72] 。
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[73] ；6月，出任澳大利亚电影电视艺术学院奖（AACTA）好佳亚洲影片大评审团九名评审之一
