2001年主演由朱文导演的电影《海鲜》荣获58届威尼斯电影节评审团特别奖，他本人也因此摘得法国南特三大州国际电影节的影帝桂冠。 2003年在花清执导的儿童题材电影《楠溪江》中饰演焦跃进 。2004年受到导演贾樟柯的邀请，与赵涛共同主演电影《世界》，这个“山西制造”的铁三角组合开始了他们探索世界和人生的电影之旅。至2007为止，《世界》先后在国际各个电影节上拿了总共11个大奖 。2005年出演阿尼拉执导的中国和芬兰首次合拍的神话电影《玉战士》饰中国魔鬼 。2006年主演的电影《完美生活》入围第65届威尼斯国际电影节地平线单元，并获得温哥华国际电影节最佳电影“龙虎奖” 。 2007年成泰燊主演的抗日剧《狼毒花》席卷了电视银屏,他扮演的甄一然吸引了众多粉丝，使成泰燊成为老百姓熟知的大明星 。10月主演的北京奥运献礼剧《排球女将》在武汉开机 。同年出演王小帅执导的电影《左右》，提名第58届柏林国际电影节最佳男主角 。同年主演的电影《车逝》入围第17届釜山国际电影节 。2008年主演的电影《对岸的战争》成为中国唯一一部入围莫斯科国际电影节的影片 。2009年出演关注全球移民面临的困境的影片《美错》，在片中一位来自温州的偷渡客“海”，该片入围第83届奥斯卡金像奖最佳外语片和第68届美国电影电视金球奖最佳外语片 。 2010年6月主演的两部电影《大地》和《马文的战争》两部作品同时入围第十三届上海国际电影节传媒大奖 。9月在王全安执导的电影《白鹿原》中饰演白嘉轩长子白孝文 。9月16日参演张艺谋执导的爱情片《山楂树之恋》上映 。2011年1月25日，第83届奥斯卡金像奖的提名名单。由中国演员成泰燊和戛纳影帝哈维尔巴登主演的电影《美错》被提名了最佳外语片。3月首次触电武侠，在陈嘉上执导的武侠电影《四大名捕》中饰演捕神，之后继续出演了《四大名捕2》 。5月出演电影《影子爱人》 。2012年在杜琪峰执导的电影《毒战》中饰演刘队长 。同年凭借主演的电影《爱的替身》提名第60届圣塞巴斯蒂安国际电影节最佳男主角 。2013年4月14日主演的亲情题材电影《说说美丽世界》上映，该片获得第21届北京大学生电影节评委会大奖 。8月出演欧阳奋强执导的电影《超萌英雄》，在片中饰演特立独行的绑匪头目 。同年友情客串出演电影《青春雷锋》 ，同年主演抗战题材剧《东北抗日联军》 。2014年3月成泰燊出演，吴镇宇、张震和郑雨盛联袂跨界执导的电影《三生》亮相第38届香港国际电影节 。8月参演苏有朋导演的处女作电影《左耳》，在里面饰演张漾的父亲 。2015年凭借出演的前史体裁的影片《黄克功案件》获得第十五届电影表演艺术学会奖。2016年，参演廉政历史剧《于成龙》 。之后在青春校园题材电影《谁的青春不迷茫》中饰演林天娇的父亲 。