2010年，与李强、王雅捷、陶飞霏合作主演现代谍战剧《天敌》，在剧中饰演有勇有谋的男主角艾迪生，这是他首次在影视剧中尝试卧底的角色 ；同年，出演徐纪周执导的抗战剧《永不磨灭的番号》，在剧中饰演国军冀察决死一纵队连长陈峰。2011年，与李健、马苏合作主演革命战争剧《中国骑兵》，在剧中饰演性格开朗风趣且为人厚道的男主角刘春雷；随后，出演张自强执导的现代军旅剧《零号国境线》，在剧中饰演性格叛逆且精通电脑编程的男主角岳峰 ；同年，与霍政谚、肖聪、江铠同合作主演革命战争剧《风华正茂》，在剧中饰演男主角* 。
之后，与宋丹丹、范明、李小璐合作主演都市情感喜剧《金太狼的幸福生活》，在剧中饰演聪明能干且业务水平很高的妇产科大夫金亮。此剧一播出便引发收视狂潮。剧中，王雷出演了一位温柔、认真、诚实的食草系男子，他像食草动物一般友善温和，他用情专一、无微不至，一旦认定便值得托付终身。王雷生动自然又不失可爱的表演，将金太狼金亮的热情、执着、温和刻画的入木三分，王雷“食草男”形象获得观众的认可与好评，更受到广大网友的追捧，爆红网络。《金太狼》自开播以来就因为强大的演员阵容而受到瞩目，尤其是王雷颠覆以往军旅剧题材中备受好评的硬汉形象，以温顺、诚实的好老公金亮一角出镜，在剧中不只过足恋爱瘾，更变身“食草男”，引发观众期待。在播出的过程中王雷饰演的金太狼金亮更是成功赚取了观众的欢笑和热泪。为了心爱的米小米，他傻傻付出、委曲求全，令观众动容；同时他偷偷“算计” 着、“死皮赖脸”着，又让人忍俊不禁，王雷将金亮的善良执着、可爱、诠释的淋漓尽致，获得大批观众的好评。网友“席卷我的世界”留言：这几天晚上每天都在看这部电视剧，多数都是笑着看的，却也有让人难过的地方。剧中不乏宋丹丹等老戏骨，可是我却独爱王雷演的金亮 。足见观众对这个角色的喜爱。
2012年，与王媛可、蒋毅、张曦文合作主演革命战争剧《战旗》，在剧中饰演头脑灵活、身手了得的男主角金戈；随后，推出个人单曲《好男人的秘密武器》，并作为电视剧《金太狼的幸福生活》的片尾曲；同年，获得“搜狐电视剧盛典”最佳男配角奖；之后，与翟天临、张亮合作主演职场情感剧《杜拉拉之似水年华》，在剧中饰演男主角王伟。2014年，5月，获得“第19届上海电视节-白玉兰奖”最佳男演员奖的提名；同年6月，获得“第2届亚洲彩虹奖”最佳男喜剧演员奖；随后，出演毛卫宁执导的乡村剧《平凡的世界》，在剧中饰演敢于冒险且不屈服于命运的男主角孙少安，从《金太郎的幸福生活》中老实贴心的金亮，到《杜拉拉之似水年华》中的都市奋斗男王伟，不同的男性形象使他一步步奠定了在观众心中的“演技派”地位。而在《平凡的世界》中，王雷上演大颠覆，一改往日“国民女婿”的形象加盟年代剧，变身出身农村的励志男青年，一身破旧老土的衣服加上高还原度的化妆造型，让观众对剧情更加有带入感。在清一色说陕西话的演员中，土生土长的东北人王雷更是说得原汁原味，被粉丝赞语言天赋。而对于王雷来说，陕西方言的确是不小的挑战，“就这么短的时间，用自然的方言来演这个戏还是有难度，不然禁锢你的表演。当时也有一点知难而退，进组了以后，发现你要是想演一个好角色，还是不能知难而退，你既然选择了《平凡的世界》，那你就得把你的积累和你学到的表演经验和功底用到这个戏里。”同年与刘涛、齐奎、叶祖新合作主演抗战剧《铁在烧》，在剧中饰演性格内敛、沉稳机智、有胆有识的男主角葛十三。
