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。