2009年，她凭借在《风声》中表演获得第46届台湾电影金马奖最佳女主角，而后参演多部商业片《狄仁杰之通天帝国》、《枪王之王》、《我愿意 I Do》；同年，成立个人公益品牌"L.O.V.E"，一个以“关爱生命、保护环境”为内容，倡导有责任的生活，通过设立相关主题开展非营利活动的公益组织；12月，作为特邀主持人直击哥本哈根全球气候大会，并发表英文演讲。
2012年，因《雪花与密扇》受邀参加第84届奥斯卡金像奖红毯；2月10日，主演的电影《我愿意 I Do》上映；同年9月，李冰冰成为第一位进驻香港杜莎夫人蜡像馆的内地女明星，也是第一位在上海和香港同时拥有蜡像的内地女星，后因钓鱼岛事件缺席《生化危机5》的东京首映会，李冰冰表明立场，发生钓鱼岛事件就绝不去日本；同年10月，她正式签约好莱坞经纪公司UTA本部，该公司代理李冰冰在美国及海外业务。此后，李冰冰只身在洛杉矶学习外语半年。
2013年1月，荣升成为国际奢侈品牌Gucci百年来首位全球代言人（2012年时为亚洲区代言人），她的个人公益品牌L.O.V.E.与Gucci更是深入合作，推出刻着“Gucci and Li Bingbing for Responsible Life”的特别腕表，使她成为第一个把自己的名字和环保概念刻进奢侈品产品的中国明星；同年4月，好莱坞杂志《综艺》（Variety）专门为李冰冰在洛杉矶举办颁奖礼，授予她“亚洲之星”荣誉；8月，参演派拉蒙公司好莱坞电影《变形金刚4：绝迹重生》，饰演女二号负责制造变形金刚的科学家苏月明；11月，在洛杉矶举办的中美电影峰会上，李冰冰被授予“东西方才华奖”；11月底，受邀赴台出任第50届台湾金马奖决审评委。 2014年6月27日，参演的《变形金刚4》上映，电影最终票房19.7亿，打破多项票房纪录，成为当年内地影片票房冠军。 2015年2月19日，主演的《钟馗伏魔：雪妖魔灵》上映，李冰冰评价该片获得第三届伦敦国际华语电影节最具海外影响力演员奖以及最佳女主角奖；同年，担任浙江卫视电视综艺真人秀《我看你有戏》的导师；年底，主演东方帝陵冒险电影《谜巢》，并担任创意制片人。 2016年5月，受邀出席第69届戛纳电影节，其开幕式红毯造型被外国媒体Eonline网站评选为“10大最美造型”；8月，加盟好莱坞电影《巨齿鲨》，饰演女主角海洋生物学家张茵，搭档杰森·斯坦森；12月，登上《T Magazine》封面。 2019年10月，参加浙江卫视原创表演真人秀《我就是演员之巅峰对决》。
