2010年、野手としての経験を積む目的で、二軍生活に終始した。ウエスタン・リーグ公式戦では、100試合の出場で規定打席に到達。打率.203、7本塁打、32打点という成績を残す一方で、三塁手として18失策を記録した。7月22日には、同リーグの監督推薦選手として出場したフレッシュオールスターゲーム（長崎ビッグNスタジアム）7回裏の打席で、イースタン・リーグ選抜の林啓介（千葉ロッテマリーンズ）から本塁打を放っている。2011年、前年に続いて、シーズンを二軍で過ごした。ウエスタン・リーグの公式戦には、103試合に出場。打撃面では、打率.208、1本塁打、23打点という成績にとどまった。さらに、三塁手として16失策、遊撃手として10失策を記録した。2012年、一軍監督・野村謙二郎からの期待を受けて、公式戦の開幕を初めて一軍で迎えた。3月30日には、地元のナゴヤドームで催された中日ドラゴンズとの開幕戦に、「7番・三塁手」としてスタメンで一軍デビュー。この試合で一軍初安打を記録すると、高校3年夏の選手権決勝以来3年振りに甲子園へ登場した4月24日の対阪神タイガース戦で、ランディ・メッセンジャーから一軍初本塁打を放った。7月25日の対東京ヤクルトスワローズ戦で石川雅規から神宮球場のバックスクリーンに放ったソロ本塁打によって、シーズン2桁本塁打に到達。広島の高卒3年目に一軍公式戦へ出場した野手では、緋本祥好（1956年）・江藤智（1991年）・前田智徳（1992年）に次ぐ球団記録を、この一打で達成した。結局、シーズン全体では、一軍公式戦でチーム最多の14本塁打を放っている。オールスターゲームには、「SKYACTIV TECHNOLOGY プラスワン ドリーム投票」（最後の出場選手を決める投票）での選出によって、広島の野手では史上最年少の20歳で初出場。全3試合の出場で6打席ノーヒットに終わったが、第2戦では「1番・三塁手」としてスタメン出場を果たした。シーズン終了後の11月には、「侍ジャパンマッチ2012「日本代表 VS キューバ代表」」で、初めて日本代表に選出。11月18日の第2戦（札幌ドーム）では、代打で三塁打を放った。シーズン通算では、一軍公式戦全144試合出場を果たしながら、両リーグワーストの29失策、150三振、得点圏打率.192を記録。広島の選手による一軍公式戦のシーズン最多三振記録も達成したため、シーズン終了後には、三振に倒れる堂林の姿を集めた写真展がマツダスタジアム内で開かれた。その一方で、12月17日には、前年から1,000万円増の推定年俸1,700万円で契約を更改した。2013年、野村の現役時代の背番号で、2005年の引退以来球団の「半永久欠番」として扱われてきた「7」を、野村自身の「若手に渡してほしい」との申し出でこの年から着用。一軍公式戦への開幕後は打撃不振が続いたが、打率が.218まで落ち込んでいた6月23日に、対東京ヤクルト戦（マツダ）9回裏の打席で山本哲哉から一軍公式戦初のサヨナラ本塁打を放った。オールスターゲームには、前年に続いて「プラスワン投票」を経て出場。しかし、8月20日の対中日戦（長良川球場）2回裏の第1打席で受けた死球によって左手第3中手骨を骨折したため、この試合を最後に試合から遠ざかった。結局、一軍公式戦には105試合の出場でシーズンを終了。盗塁数（10）を前年から倍増させたものの、打撃成績は総じて前年を下回った。2014年、前年の戦線離脱で木村昇吾が正三塁手に定着したことを背景に、春季キャンプでは、外野や高校時代にも経験のある一塁の守備練習にも取り組んだ。一軍公式戦では、三塁手として開幕を迎えたものの、開幕カードから他の選手と交互にスタメンへ起用。その一方で、4月2日の対東京ヤクルト戦（マツダ）では、同点で迎えた延長12回裏の打席でトニー・バーネットから一軍2本目のサヨナラ本塁打を放った。レギュラーシーズン全体では、本塁打数や打率が前年を上回ったものの、前年に続いて打撃が総じて不調。その影響で93試合の出場にとどまったほか、外野での起用試合数（47試合）が三塁での起用試合数（34試合）を上回る有様で、正三塁手への復帰には至らなかった。右手薬指の骨折で5月上旬から一時戦線を離脱したにもかかわらず、オールスターゲームには、セントラル・リーグ（セ・リーグ）三塁手部門のファン投票1位で3年連続出場。7月19日の第2戦（甲子園）8回裏の打席では、パシフィック・リーグ（パ・リーグ）選抜の福山博之（東北楽天ゴールデンイーグルス）からソロ本塁打を放った。この一打で同ゲーム2試合におけるセ・リーグの総得点がパ・リーグを1点だけ上回ったため、10月のドラフト会議では、2巡目以降のウェーバー指名でセ・リーグの球団に優先権が与えられた。プライベートでは、TBSのアナウンサーとしてプロ野球の取材などを担当していた枡田と交際。シーズン終了後の11月5日に結婚を発表すると、12月25日に婚姻届を提出した。2015年、内野手に再び専念することで再起を期したが、対外試合で打撃が振るわず、オープン戦の中盤で二軍に降格。4年振りに開幕一軍から外れた。ウエスタン・リーグ公式戦では53試合で10本塁打、打率.283を記録するなど好調だったが、一軍では十分な結果を残すことができずに一軍と二軍の往復が続いた結果、一軍公式戦には33試合にしか出場できなかった。一軍デビュー後では初めて一軍公式戦を本塁打0で終えたこともあって、11月8日の契約交渉では、入団後初めて球団から減俸を提示。結局、前年から170万円減の推定年俸1,830万円で契約を更改した。その一方で、シーズン終盤の9月25日には、6月でTBSを退社した枡田との間に第1子（男児）を授かっている。2016年、中日から移籍したエクトル・ルナが正三塁手に定着した影響で、2年続けて開幕を二軍で迎えた。ルナの故障で4月16日に一軍へ昇格すると、4月19日の対DeNA戦（横浜）で一軍公式戦2年振りの本塁打を記録。「7番・三塁手」としてスタメンに起用された4月26日の対東京ヤクルト戦（神宮）2回表には、5番打者のブラッド・エルドレッド、6番打者・鈴木誠也に続いての本塁打で、一軍公式戦におけるチーム11年振りの3者連続本塁打を達成した。後に調子を落としたことに加えて、正三塁手の座を争っていた安部友裕が好調を維持したことから、6月16日に出場選手登録を抹消。8月16日に再び登録されたが、チームが25年振りにセ・リーグの優勝を決めた9月10日の対巨人戦（東京ドーム）には出場できず、9月12日に登録を抹消された。レギュラーシーズン全体では、一軍公式戦47試合に出場。前年から出場機会を増やしたものの、代走や守備要員として起用されることも多く、一軍への再定着には至らなかった。さらに、クライマックスシリーズや日本シリーズに全く出場できなかったことから、チームのセ・リーグ優勝記念旅行への参加を辞退。日本シリーズ終了の2日後（10月31日）からは、「来年（2017年）に結果を残せなければ、その先（の現役生活）はない」という危機感を抱きながら、秋季キャンプや新井貴浩との合同自主トレーニングに励んだ。2017年、春季キャンプ前の1月11日に、前述した合同自主トレーニングの一環として、新井が13年連続で参加している最福寺 (鹿児島市)の護摩行を初めて体験した。春季キャンプから実戦で好成績を残し続けたことを背景に、公式戦の開幕を3年振りに一軍で迎えると、代打を中心に代走や守備要員としても起用。「2番・二塁手」でレギュラーに定着している菊池涼介がコンディション不良で欠場した5月7日の対阪神戦（甲子園）で、「2番・左翼手」として、この年の公式戦初のスタメン出場を果たした。さらに、「7番・左翼手」としてスタメンに起用された5月31日の対埼玉西武ライオンズ戦（メットライフドーム）で、一軍公式戦400日振りの本塁打を放った。しかし、安定した成績を残せずにこの年も一軍と二軍の往復が続き、チームはリーグ2連覇を果たすが、自身は一軍定着には至らなかった。9月、第2子女児を授かる。2018年、4月上旬に負傷離脱した鈴木誠也の代役として数試合右翼でのスタメン出場の機会を得たが目立った成績を残せず、また野間峻祥の台頭もあり出場機会は限られ、この年も1軍定着はならなかった。3年ぶりに本塁打は0本、打率もプロ入り後最低の数字に終わった。