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 。
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