ב-23 באוגוסט 2009 זכה בטורניר סינסינטי מסבב המאסטרס העולמי 1000 בפעם השלישית בקריירה שלו. בזכייה זו הוא מעלה את מאזנו ל-16 תארים מסבב המאסטרס העולמי 1000 אשר מציב אותו במקום השני ברשימה אחרי אנדרה אגאסי שבמקום הראשון.
ב-14 בספטמבר 2009 הפסיד בגמר אליפות ארצות הברית הפתוחה לחואן מרטין דל פוטרו אחרי 5 מערכות מותחות, הפסד אשר מנע ממנו להגיע לתואר הגראנד סלאם ה-16 שלו. פדרר הפסיד בפעם הראשונה בקריירה לדל פוטרו. כמו כן, זו הייתה הפעם ראשונה שהוא הפסיד בגמר גראנד סלאם ליריב שהוא לא רפאל נדאל. בנוסף, ההפסד קטע רצף של 5 זכיות בארצות הברית - שיא בעידן התחרויות הפתוחות.
פדרר לא שיחק בטורניר המאסטרס 1000 של העונה בשאנגחאי, והפסיד בגמר טורניר בזל לדיוקוביץ׳. בטורניר המאסטרס 1000 בפאריס הוא הפסיד בסיבוב השני לצרפתי ג׳וליאן בנטו. באליפות סוף השנה פדרר ניצח את אנדי מארי בשלב הבתים והבטיח את המקום הראשון בדירוג בסוף השנה, אך הפסיד לראשונה אחרי 12 מפגשים לדוידנקו בחצי הגמר.
ב-1 בינואר 2010 הפסיד בחצי גמר טורניר הראווה באבו דאבי 2:1 לרובין סודרלינג השוודי. למחרת ניצח 2:0 את דויד פרר במשחק על המקום השלישי בטורניר.
ב-31 בינואר 2010 ניצח את אנדי מארי בגמר טורניר אליפות אוסטרליה הפתוחה 6:4, 6:3, 7:6 (13:11) והמשיך את שבירת שיא הזכיות בגראנד סלאם.
ב-1 ביוני 2010 הפסיד ל-רובין סודרלינג ברבע גמר הרולאן גארוס ב-4 מערכות (6:3, 3:6, 5:7, 4:6) ובכך נקטע רצף 23 ההעפלות שלו לחצאי גמר בטורנירי גראנד סלאם. בנוסף, איבד את המקום הראשון בעולם לטובת רפאל נדאל.
ב-30 ביוני 2010 הפסיד ל-תומאס ברדיץ' ברבע גמר טורניר הגראנד סלאם בווימבלדון ב-4 מערכות (6:4, 3:6, 6:1, 6:4), טורניר גראנד סלאם שני ברציפות בו פדרר מודח לפני חצי הגמר, שגם קטע רצף של שבע העפלות לגמר ווימבלדון (מאז 2003).
ביולי 2010 מינה את פול אנאקון האמריקאי למאמנו האישי.
ב-15 באוגוסט 2010 הפסיד לאנדי מארי בגמר הקנדה מאסטרס בשתי מערכות (7:5, 7:5), אך עלה למקום השני בדירוג שהתפרסם למחרת. הפסד זה היה ההפסד הראשון של פדרר לאנדי מארי בגמר טורניר.
ב-22 באוגוסט 2010 פדרר ניצח בגמר טורניר סינסינטי שבארצות הברית את מרדי פיש בשלוש מערכות (7:6, 6:7, 4:6) ושמר על תוארו מהשנה שעברה. זהו תואר רביעי של פדרר בטורניר סינסינטי, אך רק התואר השני של פדרר ב-2010, מאז שזכה בינואר באליפות אוסטרליה הפתוחה.
ב-11 באוגוסט 2010 פדרר הפסיד בחצי גמר אליפות ארצות הברית הפתוחה לנובאק ג'וקוביץ' בחמש מערכות (7:5, 1:6, 7:5, 2:6, 5:7). בעקבות הפסד זה, סיים פדרר את עונת 2010 עם זכייה בגראנד סלאם אחד בלבד. פדרר איבד את המקום השני בסבב העולמי לטובת ג'וקוביץ' וירד למקום השלישי בסבב העולמי. ב-18 באוקטובר 2010 פדרר חזר להיות מקום שני בדירוג, על חשבונו של ג'וקוביץ'. ב-24 באוקטובר זכה פדרר בתואר ה-64 שלו בקריירה בטורניר סטוקהולם בשוודיה, לאחר שגבר בגמר על פלוריאן מאייר הגרמני. בנובמבר 2010 הוא זכה בטורניר בזל לאחר שגבר בגמר על נובאק ג'וקוביץ'.
ב-28 בנובמבר זכה באליפות סבב המאסטרס העולמי שנערך בלונדון, לאחר ניצחון בשלוש מערכות על רפאל נדאל, 6-3,3-6,6-1. זו הייתה הזכייה החמישית של פדרר באליפות סבב המאסטרס העולמי ותוארו ה-66 בכל הזמנים.
ב-8 בינואר 2011 פדרר זכה בפעם השלישית בקריירה שלו בטורניר דוחא, לאחר שגבר בגמר על ניקולאי דווידנקו 3:6 4:6.
ב-27 בינואר 2011, הפסיד פדרר בחצי גמר אליפות אוסטרליה הפתוחה לנובאק ג'וקוביץ' בשלוש מערכות (7-6, 7-5, 6-4), במשחק שארך מעל שלוש שעות. בכך העמיד ג'וקוביץ' את המאזן ביניהם על 7–11 לטובת פדרר.
בתחילת יוני העפיל פדרר לשלב הגמר באליפות צרפת הפתוחה לאחר ניצחון על ג'וקוביץ' ב-4 מערכות ובכך קטע רצף של 43 ניצחונות של ג'וקוביץ'. בגמר הוא הפסיד לרפאל נדאל בארבע מערכות. בטורניר וימבלדון הוא הפסיד ברבע הגמר לז'ו-וילפריד צונגה בחמש מערכות אחרי שהוביל 0–2 במערכות. זו הייתה הפעם הראשונה בה הוא הפסיד משחק בטורניר גראנד סלאם לאחר שהוביל 0–2 במערכות. באליפות ארצות הברית הפתוחה הודח בשלב חצי הגמר, לאחר שהפסיד לג'וקוביץ' בחמש מערכות (6–7, 4-6, 6-3, 6-2, 7-5), לאחר שהוביל 0–2 במערכות, ופספס שתי נקודות משחק במערכה החמישית. פדרר תיאר את ההפסד הזה כאחד הקשים בקריירה שלו.
שנת 2011 היא הראשונה מאז 2002 בה פדרר לא זכה באף אחד מארבעת תוארי הגראנד סלאם וגם ירד למקום הרביעי בדירוג העולמי.
אתה השנה הוא סיים עם טעם מתוק כאשר הוא ניצח ב-16 משחקים רצופים וזכה בטורנירי האינדורס (גג סגור) בבזל, פריס מאסטרס (לראשונה בקריירה) ואליפות סוף השנה בלונדון.
את שנת 2012 פתח פדרר עם זכיות בארבעה תארים. בין הזכיות, זכה בטורניר ה-ATP, אינדיאן וולס, ומדריד והשווה (זמנית) את שיאו של נדאל, עם 20 זכיות בתוארי מאסטרס. באליפות אוסטרליה הפתוחה הפסיד בחצי הגמר לנדאל בארבע מערכות. באליפות צרפת הפתוחה נוצח פדרר בחצי הגמר על ידי ג'וקוביץ בשלוש מערכות. השניים נפגשו שוב בחצי גמר וימבלדון, ואז גמל לו פדרר בניצחון בארבע מערכות, (3-6, 6-3, 4-6, 3-6) בדרך לזכייה שביעית בטורניר, לאחר ניצחון בארבע מערכות בגמר על אנדי מארי (6-4, 5-7, 3-6, 4-6). בעקבות הזכייה חזר פדרר למקום ראשון בדירוג העולמי. שבוע לאחר מכן הוא שבר את שיא השבועות במקום הראשון בדירוג העולמי, שהוחזק בידי פיט סמפראס. כחודש לאחר מכן נפגשו שוב פדרר ומארי על מדשאות וימבלדון במסגרת גמר המשחקים האולימפיים, ואז ניצח מארי (6-2, 6-1, 6-4).
בתחרות הזוגות באולימפיאדת לונדון (2012), הפסידו פדרר ושותפו סטאן ואוורינקה, זוכי מדליית הזהב באולימפיאדת בייג'ינג (2008), בשמינית הגמר לצמד הישראלי אנדי רם ויוני ארליך בשלוש מערכות.
באוגוסט זכה בטורניר סינסינטי לאחר ניצחון משכנע מאוד בגמר (6-0, 7-6) על המדורג שני בעולם, ג'וקוביץ'. בספטמבר הודח במפתיע מאליפות ארצות הברית הפתוחה בשלב רבע הגמר על ידי תומאש ברדיך (7-6, 6-4, 3-6, 6-3).
בטורניר שאנגחאי פדרר הפסיד לאנדי מארי בחצי הגמר, ובטורניר בזל הפסיד לדל פוטרו בגמר בשובר שוויון במערכה השלישית. פדרר פרש מטורניר המאסטרס בפאריס ואיבד את המקום הראשון בעולם לג׳וקוביץ׳.
בטורניר סוף העונה הגיע עד לגמר, שם הפסיד לנובאק ג'וקוביץ' בשתי מערכות 7:6, 7:5.
את שנת 2013 פתח פדרר בטורניר אליפות אוסטרליה הפתוחה, שם נעצר בחצי הגמר על ידי אנדי מארי במותחן של 5 מערכות 4:6, 7:6, 3:6, 7:6, 2:6. בטורניר רוטרדם הודח פדרר כבר ברבע הגמר, על ידי המדורג 39 ג'וליאן בנטו, בתוצאה 3:6, 5:7. בטורניר דובאי הפסיד פדרר בחצי הגמר לתומאס ברדיך, המדורג 6, בתוצאה 6:3, 6:7, 4:6. בטורניר אינדיאן וולס מסבב המאסטרס 1000, הפסיד פדרר לרפאל נדאל בתוצאה 4:6, 2:6. בטורניר מדריד מסבב המאסטרס 1000 נכנע פדרר לקיי נישיקורי היפני, המדורג במקום ה-16, כבר בשלב שמינית הגמר, כשהפסיד 6:4, 1:6, 6:2. בטורניר רומא מסבב המאסטרס 1000 הפסיד פדרר לרפאל נדאל בגמר, בתוצאה 6:1, 6:3.לאחר הפסד זה, הגיע פדרר לאליפות צרפת הפתוחה כאשר אינו מחזיק בתואר מתחילת העונה, לראשונה מאז שנת 2001. באליפות נכנע פדרר בשלב רבע הגמר לג'ו וילפריד צונגה, המדורג 7, בתוצאה 7:5, 6:3, 6:3.בחודש יוני בשנה זו פדרר זכה בטורנירו הראשון העונה, טורניר האלה שבגרמניה. ברבע הגמר השיג פדרר בפעם השנייה בקריירה "דאבל בייגל", כאשר ניצח את מישה זוורב הגרמני 6:0, 6:0. בחצי הגמר ניצח את טומי האס הגרמני, ובכך גמל לו על ההפסד בגמר אותו הטורניר אשתקד.
בטורניר וימבלדון הודח במפתיע פדרר בסיבוב השני, לאחר שהפסיד בארבע מערכות לסרגיי סטחובסקי, טניסאי אוקראיני אלמוני יחסית, שדורג אז במקום ה-116 בעולם. זה היה הפסדו הראשון של פדרר לפני רבע הגמר בטורניר גראנד סלאם לראשונה מאז הפסיד לגוסטבו קוורטן בסיבוב השלישי בצרפת ב-2004. בנוסף ההפסד גרם לפדרר לרדת מתחת למקום הרביעי בעולם לראשונה מאז יולי 2003. באליפות ארצות הברית הפתוחה הפסיד בסיבוב הרביעי לטומי רוברדו מספרד.
בטורניר שאנגחאי פדרר הפסיד בסיבוב השלישי לגאל מונפילס, ובבזל הוא הפסיד בגמר לדל פוטרו בשחזור של הגמר אשתקד. בפאריס פדרר הפסיד לדיוקוביץ׳ בחצי הגמר.
באליפות סבב המאסטרס העולמי, העפיל לשלב חצי הגמר, שם הפסיד לנדאל בשתי מערכות.
ב-27 בדצמבר פדרר הודיע כי סטפן אדברג יצטרף לצוות האימון שלו כמאמן נוסף לצידו של סוורין לות'י.
באליפות אוסטרליה הפתוחה הגיע פדרר לחצי הגמר, לאחר שניצח ברבע הגמר את אנדי מארי (6:3, 6:4, 6:7, 6:3) שהדיח אותו מהטורניר שנה לפני כן. בחצי הגמר הפסיד פדרר לרפאל נדאל בשלוש מערכות 7:6, 6:3, 6:3. כתוצאה מכך הוא ירד למקום השמיני בעולם, והפך למחבט מספר 2 של שווייץ, אחרי סטאן ואוורינקה. בטורניר דובאי ניצח פדרר בחצי הגמר את נובאק ג'וקוביץ', ובגמר ניצח את תומאש ברדיך בשלוש מערכות, וזכה בפעם השישית בטורניר דובאי ובתואר ה-78 שלו בקריירה. בחודש מרץ הגיע לגמר טורניר אינדיאן ווילס, בו הפסיד לג'וקוביץ' בתוצאה 6:3, 3:6, 6:7. בסוף אותו חודש הגיע לרבע גמר טורניר מיאמי, בו הפסיד ליפני קאי נשיקורי בתוצאה 6:3, 5:7, 4:6. באליפות צרפת הפתוחה הודח פדרר בידי ארנסט גולביס בשמינית הגמר בחמש מערכות, וזו הייתה הפעם השלישית בארבעה גראנד סלאמים רצופים שפדרר הודח לפני רבע הגמר.