ב-13 באוקטובר 2009, פרי הכריזה כי חזרה לאולפן ההקלטות להקליט את אלבום הסטודיו השלישי שלה אשר צפוי לצאת ב-30 באוגוסט 2010. ב-24 באוגוסט 2010, יצא אלבומה השלישי של פרי שנקרא "Teenage Dream", האלבום זכה להצלחה עצומה: כל הסינגלים שלו נכנסו לעשירייה הפותחת של מצעד הבילבורד וחמישה מהם אף למקום ראשון, ובכך הפכה פרי לזמרת הראשונה שחמישה סינגלים שלה מאותו אלבום הגיעו למקום הראשון במצעד האמריקאי. בכך שברה שיאים קודמים של ויטני יוסטון ומריה קארי, והשוותה את שיאו של מייקל ג'קסון מ-1988. האלבום מכר למעלה מ-6 מיליון עותקים כ-3 מיליון מהם בארצות הברית, האלבום גם היה האלבום הראשון של פרי שהגיע למקום ראשון במצעד האלבומים של "בילבורד".
הסינגל הראשון מהאלבום, "California Gurls", יצא לאור ב-7 במאי, ובו היא משתפת פעולה עם הראפר סנופ דוג. הסינגל הופץ באייטונס ב-11 במאי, וכבר הספיק לזנק אל ראש המצעד יום לאחר יציאתו. לאחר ארבעה שבועות במצעד הבילבורד, השיר הגיע למקום הראשון ושהה שם כשישה שבועות, עוד לפני שיצא לו קליפ. גם הקליפ זכה להצלחה ושהה כ-5 שבועות בפסגת מצעד האייטונס לקליפים וצולמו לו פרודיות רבות. השיר גם זכה להצלחה מסחררת ברחבי העולם והגיע לפסגת המצעדים בבריטניה, אוסטרליה, קנדה, אירלנד, ניו זילנד וישראל.
הסינגל השני מהאלבום, "Teenage Dream", המהווה את שיר הנושא של האלבום, הוצא לאור ב-23 ביולי 2010. השיר שחזר את הצלחת הסינגל הקודם וגם הגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד ובעוד יותר מ-10 מצעדים בעולם ואף היה מועמד לפרס גראמי על "הופעת הפופ הטובה ביותר", הקליפ לשיר יצא לאור ב-10 באוגוסט 2010 וגם זכה להצלחה.
הסינגל השלישי, "Firework", יצא ב-15 באוקטובר 2010 השיר הפך ללהיט מיידי וגם הגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד והקליפ לשיר זכה לביקורות מהללות עקב התוכן שלו (שבו היא עוזרת לבני נוער ליצור השראה, להתגבר על הפחד שלהם ועל חוסר הביטחון שלהם) ולהצלחה גדולה, הקליפ גם נחשב לאחד מהקליפים הנצפים ביותר של אותה השנה, הקליפ אף זכה בפרס "קליפ השנה" בטקס פרסי ה-VMA של MTV ב-2011. כיום הקליפ עומד על יותר ממיליארד צפיות ביוטיוב.
הסינגל הרביעי מהאלבום, "" יצא ב-16 בפברואר 2011, לשיר יצאה גם גרסת רמיקס בוא משתתף גם הראפר האמריקאי קניה וסט. הגרסה המחודשת של השיר זכתה להצלחה גדולה והגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד הוט 100 ובעוד יותר מ-15 מצעדים בעולם, הקליפ לשיר יצא ב-30 במרץ 2011 וזכה להצלחה רבה והיה מועמד ל-5 פרסי "VMA" וזכה בשניים על שיתוף פעולה הטוב ביותר ועל האפקטים הטובים ביותר. ב-20 בנובמבר, הוציאה פרי את הבושם הראשון שלה, "Purr".
הסינגל החמישי מהאלבום, "" יצא ב-6 ביוני 2011. השיר גם הגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד הוט 100 ונכנס לעשירייה הפותחת של יותר מ-15 מצעדים בעולם, הקליפ לשיר יצא ב-12 ביוני 2011 וזכה גם להצלחה רבה השיר היה מועמד לפרס על "קליפ הפופ הטוב ביותר" של ה-"VMA". הסינגל השישי והאחרון מהאלבום, "The One That Got Away" יצא ב-11 באוקטובר. והגיע למקום השלישי במצעד הבילבורד ולעשירייה הפותחת של יותר מ-10 מצעדים בעולם, הקליפ לשיר יצא ב-11 בנובמבר 2011 וזכה לביקורות מהללות. ב-20 בפברואר 2011 החלה פרי בסיבוב ההופעות השני שלה, "California Dreams Tour". ב-13 בדצמבר, הוציאה פרי את הבושם השני שלה, "".
ב-26 במרץ 2012 יצאה לאור גרסה מחודשת לאלבום "Teenage Dream", שנקראה "". ב-13 בפברואר יצא הסינגל "Part of Me", הסינגל זכה להצלחה גדולה, והגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד בשבוע הראשון של יציאתו. ב-22 במאי יצא הסינגל השני, "Wide Awake", שהגיע למקום שני במצעד הבילבורד ובנוסף פרי הופיעה איתו בפרסי המוזיקה של בילבורד 2012, הקליפ לשיר יצא לאור ב-18 ביוני 2012 והיה מועמד לשלושה פרסי VMA וזכה באחד על "הבימוי הטוב ביותר". ב-5 ביולי 2012, יצא סרטה הדוקומנטרי "Part of Me", שהתרכז בחייה כאמנית בסיבוב הופעות ופירוק נישואיה הקצרים לשחקן והקומיקאי ראסל ברנד. בסרט השתתפו מפורסמים שדיברו על קייטי כגון: ריהאנה, ליידי גאגא, אדל וג'סי ג'יי
2013–2015: "Prism".
ב-2 במאי 2013, אישרה פרי כי סיימה לעבוד על הבושם השלישי שלה שנקרא "Killer Queen", ופרסמה את עיצוב הבקבוק שלו ברשת הטוויטר. הבושם יצא בסתיו 2013. ב-2014 יצא בושם המשך מסדרת "Killer Queen" במהדורה מוגבלת הנקרא: Oh So Sheer. ב-29 ביולי חבר של פרי העלה תמונה לאינסטגרם, שם נראית משאית זהובה עליה כתוב "KATY PERRY • PRISM • 10•22•13", כך התברר ששמו של אלבומה הבא של פרי ייקרא "Prism", ויצא לאור ב-22 באוקטובר 2013. האלבום גם זכה להצלחה גדולה והגיע למקום הראשון במצעד האלבומים האמריקאי ושני שירים ממנו הגיעו למקום ראשון במצעד הסינגלים, האלבום מכר למעלה מ-5 מיליון עותקים, כמיליון וחצי מהם בארצות הברית.
הסינגל הראשון מהאלבום, "Roar", יצא לאור ב-12 באוגוסט 2013. הסינגל הפך לאחד הלהיטים הגדולים ביותר של פרי לאחר שהגיע למקום הראשון במצעד האמריקאי שבועיים לאחר שיצא והגיע לעשירייה הפותחת בעוד יותר מ-20 מצעדים בעולם, ביניהם גם ישראל שם הגיע למקום ראשון במצעד של גלגלצ ובמצעד של מדיה פורסט. השיר אף היה מועמד בשתי קטגוריות בפרס הגראמי של אותה שנה, על "שיר השנה" ו"ביצוע סולו הפופ הטוב ביותר". ב-5 בספטמבר יצא הקליפ לשיר, וגם הוא זכה להצלחה, צבר למעלה ממיליארד צפיות ביוטיוב והיה לקליפ הכי נצפה באותה שנה והרביעי באתר. הוא נחשב לקליפ השני שלה שמגיע לסכום כזה ובכך הופך אותה לאדם הראשון בעולם כולל גברים אשר הצליחו לעשות זאת.
ב-16 באוקטובר, יצא לאור הסינגל השני מהאלבום; "Unconditionally" והגיע למקום ה-14 בבילבורד. ב-20 בנובמבר, הועלה הקליפ. פרי הופיע עם השיר בטקס פרסי ה-EMA של אותה שנה, וזכתה בפרס זמרת השנה באותו הטקס. ב-17 בדצמבר, יצא לאור הסינגל השלישי "Dark Horse", אשר היה סינגל קידומי לפני כן, בתור הסינגל רשמי מהאלבום. השיר זכה להצלחה גדולה ומכר יותר מ-10 מיליון עותקים בארצות הברית (נחשב לאחד מהשירים הנמכרים ביותר בכל הזמנים) והגיע למקום ראשון בבילבורד ובעוד יותר מ-10 מצעדים בעולם (השיר הגיע למקום הרביעי בישראל). ב-20 בפברואר הועלה הקליפ לשיר, שגם זכה להצלחה עצומה בכך הפך לקליפ הראשון של אישה שעבר את רף זה. הקליפ אף זכה בפרס על "הקליפ הטוב ביותר של אישה" בטקס ה-VMA של ה-MTV, בנוסף הקליפ הוא הקליפ הנצפה ביותר של פרי, הנצפה ביותר של אותה שנה (בשנה השנייה ברציפות), הנצפה ביותר של אישה והשלישי הנצפה ביותר באתר. בדצמבר 2013 הפכה פרי לשגרירת רצון טוב של קרן החירום הבינלאומית של האומות המאוחדות לילדים. ב-10 באפריל, יצא לאור הסינגל הרביעי "Birthday" והגיע למקום ה-17 במצעד האמריקאי.
ב-7 במאי 2014 החלה פרי את סיבוב ההופעות העולמי השלישי "Prismatic World Tour". באביב 2014 יצאה בשמה החמישי של פרי: "Royal Revolution""." ב-7 ביוני פתחה פרי חברת תקליטים עצמאית, אנסאב רקורדס, בחסות קפיטול רקורדס. ב-31 ביולי, יצא הסינגל חמישי מהאלבום "This Is How We Do" והגיע למקום 24 בבילבורד האמריקאי, הקליפ לשיר זכה להצלחה. ב-25 באוקטובר 2014, ביום הולדתה ה-30 של קייטי פרי יצא הסרט השני שלה: "Katy Perry Getting Intimate".
ב-1 בפברואר 2015 הופיעה קייטי פרי במופע המחצית של הסופרבול, גמר ליגת הפוטבול המקצוענית של ארצות הברית, שנערך באריזונה, ארצות הברית, לצד לני קרביץ ומיסי אליוט. המופע זכה להצלחה רבה ולצפייה של 118.5 מיליון אמריקאים ובכך שברה פרי את היסטוריית כמות הצפיות של ארצות הברית. ב-28 במרץ 2015, יצא הסרט השלישי של פרי: "Katy Perry The Prismatic World Tour". ב-10 ביוני, הוכרזה רשמית ההודעה שפרי תשמש כפרזנטורית של המותג מוסקינו. ב-29 ביוני, דיווח מגזין הכלכלה האמריקאי פורבס שפרי היא הידוענית המרוויחה ביותר לשנת 2015 עם הכנסות של מעל ל-135 מיליון דולר. ב-16 ביולי, הוכרזה רשמית כפרזנטורית של רשת האופנה H&amp;M. בספטמבר 2015 יצא הסרט הרביעי שלה: "Katy Perry The Making Of The Super-Bowl Half Time Show", שמתעד את דרכה של פרי להופעה הגדולה על במת הסופרבול. ב-14 באוקטובר, הופצה בכמה מדינות אפליקציית המשחק Katy Perry Pop. היא הופצה רשמית, ב-17 בדצמבר. ב-16 בנובמבר 2015 יצאה קולקציית החגים שעוצבה על ידי פרי עם חברת הבגדים Beloved. ב-23 בנובמבר, יצאה לקמפיין חג המולד, עם חברת H&amp;M במסגרתו יצא שיר חג המולד הראשון שלה, "Every Day Is a Holiday".
2017–2016: "Witness".
ב-16 באפריל 2016, השיקה פרי ליין איפור בשם "Katy Kat Matte" בעיצובה עם חברת הטיפוח CoverGirl, אותה היא מפרסמת מאז שנת 2013. הליין כולל 13 שפתונים ו-2 מסקרות. ב-29 במאי, יצאה פרסומת קידום לבושם השמיני של פרי הנקרא: "Mad Love". ב-15 ביולי יצא "Rise". שהיה לשיר הנושא של אולימפיאדת 2016 שהתקיימה בריו דה ז'ניירו, כשב-4 באוגוסט 2016, יצא בעמוד היוטיוב הרשמי שלה הקליפ לשיר שצולם בברייס קניון. ב-10 בפברואר 2017, יצא הסינגל הראשון מתוך "Witness", שנקרא "Chained to the Rhythm", שהגיע למקום הרביעי במצעד הבילבורד הוט 100 בשבוע הראשון לצאתו. באותו החודש, השיקה את ליין ההנעלה שלה שעוצב על ידה ונושא את שמה.