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
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，