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[39] 。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,主演动作电影《硬汉》,扮演一位脑部受损伤的退役军人“老三”,为了演好这一角色,刘烨增重40斤[41] ,并凭借电影《硬汉》获得第3届大学生影像节最受瞩目男演员奖[5-6] 。2009年,在陆川执导的战争片《南京南京》中饰演悲壮牺牲的国民党军官陆剑雄] ,该片获得第57届西班牙圣塞巴斯蒂安国际电影节“金贝壳奖”以及最佳摄影奖,这也是中国电影首次获得该奖项