2011年，段奕宏主演劇情電影《白鹿原》上映，該片籌備9年、拍攝3年，首播就獲得觀眾的一致好評 。在第62屆柏林國際電影節獲得最佳攝影銀熊獎和金熊獎提名 。獲得第24屆上海電視節白玉蘭獎最佳電視劇，段奕宏在該片中精彩演出獲得第13屆華語電影傳媒大獎觀眾票選最受矚目男演員獎 。
影片以“白家”和“鹿家”在白鹿原上的爭斗為背景，主要表達北方農民生存狀態中那種耐人尋味的原生態的東西 。影片中段奕宏飾演黑娃，他一個經歷大起大落的人物，充滿個性又有很大的悲劇性 。他一生當過長工，做過土匪，鬧過革命，又投身軍營，后又成為朱先生最后一名弟子 。臨近解放，率先發起起義之后，他卻被自己最熟悉的白孝文處死 。
2012年，段奕宏主演的都市愛情電影《我愿意 I Do》在全國上映，片中段奕宏一改往日硬漢形象，以儒雅紳士的面貌出現！
該影片以改編自陳彤的同名小說，片講述了一位漂亮能干的大齡女青年在舊情人回頭追求和新認識的相親對象殷勤對待之間，一點點做出選擇的故事。影片中段奕宏飾演王洋，是唐微微的前男友 。為了所謂的夢想，他拋棄了唐微微遠走他鄉 。7年后以海歸精英的身份再次回到唐微微身邊，希望能夠追回唐微微，而此時唐微微身邊出現了楊年華 。
2013年由鄧超、段奕宏、郭濤等主演的犯罪懸疑電影《烈日灼心》上映 。這部電影影片在第18屆上海國際電影節獲得最佳導演獎，并且段奕宏、鄧超、郭濤這三位同時獲得了最佳男演員獎！
影片改編自女作家須一瓜的長篇小說《太陽黑子》，講述了三個身份各異的結拜兄弟共同撫養一個孤女，看似風平浪靜，實則暗流涌動，在巧合之下牽扯出一樁驚天大案 。影片中段奕宏飾演警察警察，他高智商，觀察力極強，十分敏銳，對除惡揚善十分執著 。與辛小豐一起出生入死、配合默契，聯手破獲諸多重大案件 。
2016年，段奕宏等主演懸疑電影《記憶大師》上映，該影片不僅在主創陣容、情節內容方面精雕細琢，場景布置上更是傾注心力，劇組遠赴泰國曼谷實地取景 。
影片以發生在2025年事件為背景，講述了一個關于記憶重載的懸疑燒腦故事 。影片中段奕宏飾演警官沈漢強，他是有著多年辦案經驗的老牌警官，深得警局上下所有人的信任 。對于這次在腦內追查真兇的警察角色，段奕宏直言：“我一直在給自己提要求，我希望這個角色一定是要經得起推敲的！
2017年由黃軒、段奕宏等人主演的動作緝毒警匪電影《非凡任務》上映，該片是段奕宏首度挑戰大反派當毒梟 。
該影片以內地緝毒警這個特殊的群體為題材，該片講述了臥底林凱逐步滲透到“雙鷹”販毒集團后，發現幕后頭目“老鷹”與八年前李建國作為臥底調查的販毒集團有關，并巧妙搗毀了整個販毒集團的故事 。影片中段奕宏飾演大毒梟，他心狠手辣、險惡狡詐 。與特警臥底林凱，一明一暗，上演巔峰較量，無論在繽紛宴席還是野外巢穴，二人不斷的懷疑試探 。老鷹是一個時刻行走在生死邊界上的亡命徒 。
2017年，段奕宏主演的犯罪懸疑片《暴雪將至》上映，導演董越憑借該電影獲得第14屆中國長春電影節最佳青年導演獎，同時段奕宏憑借影片獲得第30屆東京國際電影節最佳男演員獎 。
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