2003年，出演电影《金鸡2》;同年参演电影《大丈夫》，荣获第23届香港电影金像奖最佳男配角奖。

2004年，与杨千嬅合作电影《三更2之饺子》，获第24届香港电影金像奖最佳男配角奖提名;同年出演陈嘉上导演电影《A-1头条》。

2005年，出演关锦鹏执导电影《长恨歌》，获第12届香港电影评论学会奖最佳男演员奖;与古天乐、任达华、张家辉合作电影《黑社会》，凭借该片荣获第25届香港电影金像奖最佳男主角奖;同年参演成龙、金喜善等主演的电影《神话》。12月，梁家辉前往南极考察成功而返，成为亚洲艺人登陆南极第一人。

2006年，梁家辉与任达华合作电影《跟踪》。2007年，主演《战·鼓》扮演一黑社会老大，获得第44届金马奖最佳男配角奖。

2009年，出演电影《十月围城》;同年参演《建国大业》。 2010年，参演由徐克执导，刘德华、刘嘉玲、李冰冰等主演电影《狄仁杰之通天帝国》，获第30届香港电影金像奖最佳男配角提名奖;同年主演电影《李小龙》，获第30届香港电影金像奖最佳男主角提名。

2011年，参演历史片《建党伟业》饰“范源濂”，该片于2011年6月15日全国正式公映。

2012年，主演《寒战》饰演“李文彬”，凭借该片荣获第32届香港电影金像奖最佳男主角奖及第50届金马奖最佳男主角提名;同年出演冯德伦执导的《太极1从零开始》和《太极2：英雄崛起》。

2013年，出演喜剧爱情电影《越来越好之村晚》，该片于2013年正月初一全国上映。2014年，参演了贺岁片《金鸡sss》。