2006年，主演反特悬疑剧《羊城暗哨》，获得南方盛典"2007年度最具人气男演员"奖 ;8月，在根据方方同名畅销小说改编的电视剧《桃花灿烂》中首次出演众星捧月的"情圣"。

2007年4月，主演电视剧《大长垣》，饰演男一号牛长远。79月，出演电影《命运呼叫转移》。11月，参演电视剧《倾城之恋》，剧中王学兵突破戏路饰演浪荡公子唐一元。12月，与张歆艺、李光洁主演医疗题材电视剧《柳叶刀》，王学兵在剧中出演为人正直、医术高明的医生"顾明道" 。

2008年，在谍战悬疑剧《迷雾重重》中饰演男主角"陈元地";主演电视剧《滇西1944》，饰演马成龙。

2010年1月，出演现代谍战剧《谍变》，饰演男主角石清泽 ;4月，主演医疗题材电视剧《无影灯下》，王学兵再度扮演一名医生萧克明 ;在电影《关云长》中饰演王植;参演电影《建党伟业》饰演"包惠僧";8月，主演谍战剧《暗红1936》，王学兵首次一人分饰两角，饰演两兄弟武仲明和武伯英 。