2011年3月，吴彦祖与冯德伦合作创立了突围映画电影制作公司，并与华谊兄弟签订了五年合作协议；3月31日，与古天乐、高圆圆合作主演的都市爱情片《单身男女》上映，片中饰演痴情专一的建筑师方启宏；同年，在由韩三平、黄建新联合执导的献礼历史片《建党伟业》中饰演胡适一角，这是吴彦祖首次扮演历史人物；8月18日，主演的警匪动作片《窃听风云2》上映，该片内地票房达1.63亿元，蝉联周票房冠军，并创下华语警匪片票房纪录。吴彦祖则在片中饰演了不择手段、心狠手辣的退伍军人司马念祖。

2012年5月4日，由伍仕贤执导的剧情片《形影不离》上映，吴彦祖在片中饰演患有心理疾病的工程师李越；9月27日，吴彦祖担任监制并出演的武侠动作片《太极2：英雄崛起》上映，他在片中挑战出演造型邋遢、身披袈裟的世外高僧疯和尚；11月29日，与刘烨、张震合作主演的古装历史片《王的盛宴》上映，吴彦祖则在片中饰演了西楚霸王项羽一角。

2013年11月22日，吴彦祖担任监制并主演的犯罪动作片《控制》上映，他在片中饰演具有双重人格的保险业务员马克；同年，搭档沙尔托·科普雷主演了科幻惊悚片《木卫二报告》，吴彦祖在片中饰演太空宇航员威廉姆·徐。

2014年4月18日，与张家辉领衔主演的悬疑犯

罪片《魔警》上映，该片由林超贤执导，吴彦祖在片中饰演尽忠职守的警员王伟业，并凭该角色提名第34届香港电影金像奖最佳男主角 ；5月29日，其主演的犯罪片《窃听风云3》上映，该片取得了3.13亿元的票房成绩，吴彦祖则在片中饰演了电脑高手阿祖；7月17日，吴彦祖的蜡像获邀入驻香港杜莎夫人蜡像馆；11月11日，其友情出演的爱情片《单身男女2》上映。

2015年8月13日，搭档白百何主演的励志喜剧片《滚蛋吧！肿瘤君》上映，该片根据同名漫画改编，吴彦祖在片中出演医术卓绝的梁医生，该片上映后取得5.1亿元的票房成绩；11月15日，吴彦祖担任制作人并主演的功夫美剧《荒原第一季》在美国AMC电视台首播，他在剧中饰演了武艺精湛的杀手Sunny。

2016年6月8日，由邓肯·琼斯执导的奇幻动作片《魔兽》在中国内地上映，吴彦祖在片中饰演了狡猾又残忍的古尔丹。之后该片于6月10日在美国上映，全球票房成绩达4.32亿美元；11月25日，其主演的动作悬疑片《冲天火》上映，该片由林岭东执导，吴彦祖在片中饰演正义的保安主管宗天保。

2017年3月19日，吴彦祖主演的功夫美剧《荒原第二季》

在美国AMC电视台首播，该剧平均收视率达3.6M，在美国有线平台排名第四；10月13日，其首次参加的户外建筑真人秀节目《漂亮的房子》在浙江卫视播出；10月20日，与杰拉德·巴特勒、吉姆·斯特吉斯等合作主演的灾难片《全球风暴》在美国上映，他在片中饰演数据分析师郑龙，该片于10月27日在中国内地上映。

2018年3月16日，搭档艾丽西亚·维坎德主演的动作奇幻片《古墓丽影：源起之战》在美国和中国内地同步上映，吴彦祖则在片中饰演一名经验丰富的船长陆仁；4月22日，与艾米丽·比查姆、阿拉米斯·奈特等人联合主演的美剧《荒原第三季》在美国AMC电视台首播；同年11月，确定出演动作警匪电影《限期破案》。