该片入围美国金球奖最佳外语片，并成为2002年戛纳电影节及香港第25届法国电影节开幕电影。此外，刘火华与林佳欣主演的电影《恋之风景》入围威尼斯国际电影节；与李欣洁合作出演根据王安忆小说改编的同名电影《米尼》，并凭借此片提名第8届长春电影节最佳男主角；
2003年，与章子怡、李冰冰共同主演谍战片《紫蝴蝶》，该片入围戛纳电影节，刘烨凭借此片获得第四届华语电影传媒大奖内地最受欢迎男演员奖。同年主演电影《花儿怒放》，饰演年轻的教师丁天，该片获中国电影童牛奖。12月，主演电影《青春爱人事件》，该片入围第17届东京国际电影节，获2005年底西班牙马德里实验电影节大奖，入围2006年4月意大利远东国际电影节。同年，接拍海岩生死恋三部曲之《拿什么拯救你，我的爱人》，在剧中饰演淳朴、善良、沉郁的龙小羽，并获得第3届中国电视艺术双十佳最佳演员奖。
2004年，与孙俪共同主演反映“老三届”故事的电视剧《血色浪漫》，饰演热情浪漫、潇洒不的叛逆男主角钟跃民[2] 。与舒淇联袂主演爱情电影《美人草》，刘烨在片中饰演阳光土气，青春逼人，霸气与痞气完美结合的傻男孩”刘思蒙“，并凭借该片获得第24届中国电影金鸡奖最佳男主角奖以及第10届中国电影表演艺术学会（金凤凰）优秀男演员奖；同年，与章子怡合作主演的电影《茉莉花开》获得第7届上海国际电影节评委会大奖。2005年，刘烨参演由陈凯歌执导的奇幻史诗电影《无极》，饰演有着特异杀人功能的杀手“鬼狼”，该片入围美国金球奖最佳外语片奖。2005年，与袁泉合作舞台剧，孟京辉“爱情三部曲”的压轴篇《琥珀》，演
2006年，参演由张艺谋执导的商业片《满城尽带黄金甲》，并凭借该片获得香港电影金像奖最佳男配角提名和12届香港金紫荆奖最佳男配角提名。
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。
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
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