2008年，与葛优、邬君梅、段奕宏合作主演桃色喜剧电影《桃花运》，在片中饰演老实善良且带点傻气的酒店厨师关祥，与小宋佳饰演一对情侣 ；同年6月，凭借电影《极限救援》获得“第11届上海电影节传媒大奖”最具潜力新人奖 。2009年，与廖凡、张译、杨烁合作主演抗战剧《生死线》，在剧中饰演宁守备团的上尉副官龙文章；同年10月，凭借电影《极限救援》入围“第37届国际艾美奖”最佳男主角奖；同年，与徐帆、张静初、陈道明合作主演灾难电影《唐山大地震》，在片中饰演女主角方登的弟弟方达 。2010年，与刘烨、陈坤、张嘉译合作主演历史电影《建党伟业》，在片中饰演张国焘，这是他首次出演历史人物；同年，与小宋佳、杨立新、霍思燕合作主演家庭情感剧《风车》（原名《我和我的小姨》），在剧中饰演做人真诚、做事讲义气的男主角梁尘 ，同年，与陈思诚、张译、杨幂合作主演都市情感剧《北京爱情故事》，在剧中饰演个性格温和、无欲无求的男主角吴狄，与此同时李晨还担任了该剧的监制；同年10月，出版个人首本文学作品《晨光倒影》 。

2011年3月，凭借电影《唐山大地震》获得“第五届娱乐大典”年度电影飞跃人物大奖；同年，与李雪健、陶虹、奚美娟合作主演公益电影《杨善洲》，在片中饰演男主角杨善洲的得力助手周波；同年，与郑伊健、于波、周渝民合作主演古装电影《忠烈杨家将》，在片中饰演杨四郎，这是他首次出演古装电影；同年，与马伊琍、尤勇合作主演年代情感剧《风和日丽》，在剧中饰演刚毅正直、深情专一的军官刘世军；之后，他还出演了赵宝刚执导的都市情感剧《北京青年》，在剧中饰演经济学硕士何东。2012年，与张译、高捷、张殿伦合作主演近代革命剧《好家伙》，在剧中饰演海滩一帮派老大屠先生一力培养的接班人时光；同年5月，福布斯中国名人榜公布，李晨首次上榜，位列第56名；同年8月，凭借电影《唐山大地震》获得“第31届大众电影百花奖”最佳男配角奖的提名。2013年，与霍思燕、于越、杜江合作主演当代励志剧《草帽警察》，在剧中饰演心地善良温和、为人稳重踏实的男主角刘五四；同年，与靳东、潘虹、高鑫合作主演医疗剧《到爱的距离》，在剧中饰演普外科主任李睿；之后，他还客串了刘烨、陈宝国主演的近代战争剧《北平无战事》，在剧中饰演齐慕堂；同年，与蓝盈莹、安宇、李郁文合作主演微电影《致父亲》，在片中饰演身为摄影师的男主角王浩然；同年8月25日，其主演的微电影《因情圆缺2：代理相亲》在北京举办了首映礼。

李晨身上有一种理科生的典型特质，睿智、阳光、亲和、稳健 。李晨的五官线条够英朗，搭配健康的肤色更是男人味十足。李晨外形阳光帅气，并且亲和力十足。李晨能够紧扣角色，并且对角色的把握张弛有度。在经过多部戏剧的扎实积累，让他的演技日臻精湛，也比同龄人多了一些心灵的淬炼。李晨不仅拥有帅气的肌肉线条与爆表的颜值，他言语间的体贴、温柔又不失霸道的味道更让《我们结婚吧》中的角色爆发男性荷尔蒙。