2009年，车胜元再次回归电视剧领域，在SBS水木剧《市政厅》中饰演梦想当总统的仁州市副市长祖国，此剧从首播到结束，收视率在同时段播出的水木剧中一直排在第一位；8月，与黄正民、韩智慧、白成铉共同主演李俊益执导的古装片《冲破云层之月》；11月，车胜元接拍了战争电影《到炮火中去》。
2010年3月，主演SBS电视剧《雅典娜：战争女神》，饰演恐怖组织“雅典娜”的首领孙赫；6月16日，车胜元主演的战争片《到炮火中去》在韩国上映，该片上映19天后观影人次突破了240万。
2011年，与孔孝真、尹启相、刘仁娜共同主演MBC水木剧《最佳爱情》，饰演性感、体贴的男明星独孤真，凭借该剧车胜元获得2011年MBC演技大赏男子迷你剧系列最佳男主角奖。
2012年，与郑雨盛、秀爱、金民钟联袂主演动作电影《雅典娜：无间谍局》，饰演美国情报局东亚分部的部长孙赫。
2013年，主演张镇导演执导的动作电影《高跟鞋》。
2014年，与李胜基、高雅拉、安宰贤共同主演SBS水木剧《你们被包围了》，饰演刑警组组长徐判锡。
2015年，与李沇熹、金载沅、徐康俊共同主演4月13日首播的MBC月火剧《华政》，饰演朝鲜王朝第十五代君主光海君。
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