2004年，郭曉峰前往北京電影學院導演班進修學習。2006年，郭曉峰執導并主演了電影《兒子同志》飾夏團長，該影片入圍第10屆上海國際電影節電影頻道傳媒大獎和第12屆中國電影華表獎優秀少兒童牛影片獎。
2007年，主演電影《寂靜的哨所》飾姜樹威，該影片入圍第九屆長春電影節“最佳影片獎”；同年參演電影《此生此愛》，該影片入圍第11屆上海國際電影節電影頻道傳媒大獎。
2008年，出演管虎導演執導的戰爭題材電視劇《沂蒙》，飾八路軍首長陳同；同年，主演電影《長城腳下是我家》飾張賀山。
2009年，搭檔秦嵐等主演諜戰劇《紅色電波》飾演信仰堅定的地下黨領導人“黃哲”一角。2010年，聯手弟弟郭曉冬等主演諜戰年代題材電視劇《我是真的》，飾中年桑義州。
2011年，參演刑偵涉案題材電視劇《國門英雄》飾方虎。2012年，主演電影《渡江！渡江！》，飾演解放軍指導員趙長河，而該片則入圍了第21屆中國金雞百花電影節最佳影片獎。
2013年，郭曉峰主演的涉案題材電視劇《點金者》播出，他在劇中飾演刑警隊長武峰；同年，其主演的歷史劇《大清鹽商》在央視八套播出，郭曉峰在劇中飾演何思圣。由于《大清鹽商》和《點金者》這兩部戲是同時拍攝的，因此郭曉峰每天背臺詞都要背到凌晨三四點鐘。
2014年，參演勵志傳奇電視劇《鏢門》飾張端和。2015年8月31日，民國諜戰劇《偽裝者》定檔湖南衛視金鷹獨播劇場，郭曉峰首次與胡歌、靳東等演員合作，在劇中飾演“黎叔”一角。該劇獲得2015國劇盛典年度十大影響力電視劇；同年，主演網絡電影《彌天之謊》，在戲中扮演男一號刑警隊長杜聞 ；12月，參演古裝奇幻喜劇《大仙衙門》，在劇中飾演一位正直善良的宮廷御醫王太常；12月12日，在主演懸疑推理片《左耳神探之詭來電》中飾演左耳神探夜文濤，并擔任監制。
2016年，與盧卓婕合作出演了網絡微電影《派出所長》，憑借該片中的表現獲得北京國際微電影節最佳男主角獎 ；10月21日，其參演的近代革命劇《紅旗漫卷西風》播出，郭曉峰在劇中飾演心狠手辣、老謀深算的反動派軍官李耀川。
2017年，參演古裝愛情懸疑電視劇《錦衣之下》，該劇已在2019年播出。
2020年，參演重大革命歷史題材獻禮劇《光榮與夢想》，該劇于2020年8月官宣。
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