4年7月，李帝勋正式退伍后马上投入SBS史剧《秘密之门》的拍摄，与韩石圭继电影《帕帕罗蒂》后二度合作。他在剧中饰演命运悲惨的历史人物思悼世子，凭借精湛的演技，获得《2014 SBS演技大赏》长篇电视剧部门男子最优秀演技赏。2016年1月，李帝勋出演tvN电视剧《Signal》，饰演一个富有正义感的长期未结案件专案组心理侧写师。Signal在播出后取得口碑与收视双赢的良好成绩，李帝勋也凭借该剧收获不少人气。5月，电影《侦探洪吉童：消失的村庄》上映，该部电影为李帝勋退伍后的大银幕复出作，片中饰演的角色洪吉童