2010年2月16日于CCTV3《百花迎春中国文学艺术界2010春节大联欢》演唱《弯弯的月亮》，5月与唐人电影合作的新概念武侠大戏《怪侠一枝梅》饰演贺小梅。9月推出EP《月光晴朗》，一直忙碌于影视剧拍摄工作的马天宇在2010年12月带来自己的的EP《自言自宇》。
2011年远赴西藏、尼泊尔等地拍摄写真集，发行第三本个人写真集《印·马天宇·西区》，2月7日参加中央卫视 《2011文学艺术界新年联欢》。
2012年出演《宝贝妈妈宝贝女》饰演“腹黑男”章汉哲，在6月15日夺得全国卫视黄金时段电视剧收视冠军。同年《轩辕剑之天之痕》在湖南卫视播出，剧中饰演吕承志。
2013年与黄宗泽、林心如、戚薇、袁弘合作拍摄《少年神探狄仁杰》，饰演王元芳，因如玉公子形象俘获大批粉丝，并凭该剧形象获得网友票选“新天涯四美”。
同年与韩雪合作拍摄《淑女之家》，与郑爽二度合作《美人私房菜》，友情客串林心如主演《秀丽江山之长歌行》；12月21日在西单大悦城发行了第四张个人专辑《世界之外》。
2014年7月2日与李易峰、郑爽、乔振宇、陈伟霆主演仙侠魔幻偶像剧《古剑奇谭》在湖南卫视钻石独播剧场播出，饰演方兰生/晋磊。9月搭档邓家佳、陈伟霆主演电视剧《缘来幸福》。2014下半年接连主演了《我的绯闻女友》《功夫婆媳》《毛丫丫被婚记》。
10月发布了自己的首本写真旅行日记《转机》。同年发布了《兰铃曲》及《纳西索斯》两首单曲。2014年12月17日，在国剧盛典举办的“四大男神”网络票选活动中，马天宇入选“四大男神”。
