2010年,李栋旭在09年9月底完成5周基础新兵训练后被编入国防宣传广播支援队,又称为文艺兵或演艺兵。在服兵役期间,除毎日受训外,也负责电台广播,各类主持及娱乐演出,其中一个节目《文化真好》形式和KBS的《两天一夜》类似,固又有军队版《两天一夜》之称。2011年6月20日退役,随即投入电视剧《女人的香气》拍摄,还拿下当年SBS演技大奖和10大明星奖。11月他出演KBS的《暴力罗曼史》饰演棒球选手朴茂烈。从策划阶段开始就受到了广泛关注。2012年3月,李栋旭完成《暴力罗曼史》后,踏入另一个艺能领域,变身综艺节目主持,接棒李胜基,主持《强心脏》。李栋旭亦凭此在SBS2012演艺大赏荣获最佳新人MC奖和申东烨拿下最佳搭档大奖。2013年,李栋旭于1月17日录完《强心脏》最后一期后,恢复演员身份,专注演艺工作。《天命》是他首次挑战古装剧,剧中李栋旭饰演一名背负冤名的医官而成为逃亡者崔元。2014年2月他出演SBS特别企划剧《江口的故事》的主人公饰江景泰,这是韩国电视历史上首个3D作品因此受到很大关注。同时间他又接演MBC新周末特别企划剧《Hotel King》饰演一个心怀怨念的冷血酒店总经理车载元。继2005年《我的女孩》,时隔8年后再度搭档李多海。另一方面,他拍摄《Hotel King》之同时又参与了SBS综艺节目《Roommate》的录制。8月接拍KBS2水木剧《Ironman(钢铁人)》饰演佣有特殊异能的男主人公朱弘斌。2015年7月,携手郑丽媛出演tvN电视台月火剧《泡泡糖》,自2002年后,相隔12年再度搭档,剧中他饰演医院院长,他自出道以来首次拍摄有线电视台作品。该剧讲述了4名各自存在缺陷的人在一起后变得幸福的故事,是一部温馨的成人童话。9月10日,搭档女星金廷恩获委任为第十届首尔国际电视节颁奖典礼主持人。