2011年3月，吳彥祖與馮德倫合作創立了突圍映畫電影制作公司，并與華誼兄弟簽訂了五年合作協議；3月31日，與古天樂、高圓圓合作主演的都市愛情片《單身男女》上映，片中飾演癡情專一的建筑師方啟宏；同年，在由韓三平、黃建新聯合執導的獻禮歷史片《建黨偉業》中飾演胡適一角，這是吳彥祖首次扮演歷史人物；8月18日，主演的警匪動作片《竊聽風云2》上映，該片內地票房達1.63億元，蟬聯周票房冠軍，并創下華語警匪片票房紀錄。吳彥祖則在片中飾演了不擇手段、心狠手辣的退伍軍人司馬念祖。
2012年5月4日，由伍仕賢執導的劇情片《形影不離》上映，吳彥祖在片中飾演患有心理疾病的工程師李越；9月27日，吳彥祖擔任監制并出演的武俠動作片《太極2：英雄崛起》上映，他在片中挑戰出演造型邋遢、身披袈裟的世外高僧瘋和尚；11月29日，與劉燁、張震合作主演的古裝歷史片《王的盛宴》上映，吳彥祖則在片中飾演了西楚霸王項羽一角。
2013年11月22日，吳彥祖擔任監制并主演的犯罪動作片《控制》上映，他在片中飾演具有雙重人格的保險業務員馬克；同年，搭檔沙爾托·科普雷主演了科幻驚悚片《木衛二報告》，吳彥祖在片中飾演太空宇航員威廉姆·徐。
2014年4月18日，與張家輝領銜主演的懸疑犯
罪片《魔警》上映，該片由林超賢執導，吳彥祖在片中飾演盡忠職守的警員王偉業，并憑該角色提名第34屆香港電影金像獎最佳男主角 ；5月29日，其主演的犯罪片《竊聽風云3》上映，該片取得了3.13億元的票房成績，吳彥祖則在片中飾演了電腦高手阿祖；7月17日，吳彥祖的蠟像獲邀入駐香港杜莎夫人蠟像館；11月11日，其友情出演的愛情片《單身男女2》上映。
2015年8月13日，搭檔白百何主演的勵志喜劇片《滾蛋吧！腫瘤君》上映，該片根據同名漫畫改編，吳彥祖在片中出演醫術卓絕的梁醫生，該片上映后取得5.1億元的票房成績；11月15日，吳彥祖擔任制作人并主演的功夫美劇《荒原第一季》在美國AMC電視臺首播，他在劇中飾演了武藝精湛的殺手Sunny。
2016年6月8日，由鄧肯·瓊斯執導的奇幻動作片《魔獸》在中國內地上映，吳彥祖在片中飾演了狡猾又殘忍的古爾丹。之后該片于6月10日在美國上映，全球票房成績達4.32億美元；11月25日，其主演的動作懸疑片《沖天火》上映，該片由林嶺東執導，吳彥祖在片中飾演正義的保安主管宗天保。
2017年3月19日，吳彥祖主演的功夫美劇《荒原第二季》
在美國AMC電視臺首播，該劇平均收視率達3.6M，在美國有線平臺排名第四；10月13日，其首次參加的戶外建筑真人秀節目《漂亮的房子》在浙江衛視播出；10月20日，與杰拉德·巴特勒、吉姆·斯特吉斯等合作主演的災難片《全球風暴》在美國上映，他在片中飾演數據分析師鄭龍，該片于10月27日在中國內地上映。
2018年3月16日，搭檔艾麗西亞·維坎德主演的動作奇幻片《古墓麗影：源起之戰》在美國和中國內地同步上映，吳彥祖則在片中飾演一名經驗豐富的船長陸仁；4月22日，與艾米麗·比查姆、阿拉米斯·奈特等人聯合主演的美劇《荒原第三季》在美國AMC電視臺首播；同年11月，確定出演動作警匪電影《限期破案》。
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