2012年1月，赴意大利拍摄前导画册以及杂志写真，并出席了米兰时装周；1月22日，再次登上中央电视台春节联欢晚会，独自表演创意节目《除夕的传说》；7月13日，推出第二张个人音乐专辑《寒更》，收录了包括《狂草》、《小丑面具》等在内的10首歌曲；9月12日，获得《男人装》杂志百期嘉年华盛典最具影响力人物奖；11月12日，获得欧洲MTV音乐奖颁奖礼全球最佳艺人奖，成为MTV-EMA历史上首位获奖的华人歌手 。
2013年1月14日，获得新浪微博之夜年度风尚人物奖；3月23日，获得第26届儿童选择奖颁奖礼亚洲最受欢迎艺人奖；4月14日，获得第13届音乐风云榜年度盛典最佳舞曲歌手奖、内地最受欢迎男歌手奖等5项大奖；4月26日，其主演的青春爱情电影《致我们终将逝去的青春》上映，最终以7.26亿人民币的票房成绩收官；6月29日，出席巴黎男装周2014春夏Diorhomme秀；之后，与杰瑞米·埃尔卡伊姆、阿丽丝·德·朗克桑合作主演爱情电影《寻找罗麦》。
2014年1月31日，其主演的都市爱情喜剧电影《前任攻略》上映，最终票房在排片不足5%的情况下破亿；5月27日，获得第22届世界音乐大奖最佳男艺人奖，成为第一位获邀在WMA颁奖典礼表演的华人歌手；6月27日，其参演的科幻动作电影《变形金刚4：绝迹重生》全球上映，并为该片演唱主题曲《谁Control》，这也是好莱坞电影史上首次将中文歌曲作为电影主题曲。
2015年4月17日，其与范冰冰搭档主演的青春爱情电影《万物生长》上映，在片中饰演表面流氓痞气、内心脆弱良善的男主角秋水，该片上映6天票房便突破1亿人民币；11月6日，举行个人出道十周年演唱会；11月20日，推出第三张个人音乐专辑《三庚》，收录了包括《夜伴三庚》、《痞夫之勇》等在内的10首歌曲；与此同时，他还正式宣布《三庚》是其最后一张唱片，并为此举行了封盘仪式，另外他还制作了纪念出道十周年的纪录影片《卸装》[40] ；此外，他还为动画电影《哆啦a梦：伴我同行》中的成年时期大雄配音 。
2016年4月9日，凭借专辑《三庚》获得第16届音乐风云榜年度盛典年度最佳全能艺人奖、年度最佳男歌手奖，而歌曲《Idon'tgivea屑》则获得了年度最佳音乐录影带奖；同年，主演周显扬执导的奇幻动作电影《大侦探霍桑》，在片中饰演男主角霍桑；9月14日，其与唐嫣搭档主演的魔幻爱情电影《大话西游3》上映，在片中一人分饰三角，分别饰演了至尊宝、六耳猕猴和孙悟空，该片最终以超过3.6亿元人民币的票房成绩收官；同年，主演伊力奇执导的科幻动作剧《失忆之城》，在剧中饰演性格不羁、玩世不恭的末日战士李雷，这不仅是他时隔8年后回归电视荧屏之作，也是他首次触及幕后、担任制片人的作品 。
2017年6月23日，出席中国成都·金砖国家电影节，并获得“电影节友好使者”的称号；7月28日，其出演的革命历史电影上映；12月18日，获得时尚COSMO美丽盛典年度最美人物奖；12月27日，加盟《这！就是街舞》，担任明星队长；12月29日，其主演的爱情喜剧电影《前任3：再见前任》上映 。
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