Saya mau tau 2012–2013: Kemunculan kembali dari Lee Joon-gi

Pada Mei 2012, Lee berperan bersama dengan Shin Min-a dalam drama sejarah romansa MBC Arang and the Magistrate, proyek pertamanya setelah dibebaskan. Seri ini sukses dan menjadi drama termahal yang dijual ke Jepang oleh MBC. Lee kemudian diakui pada  Seoul International Drama Awards, memenangkan the Outstanding Korean Drama Actor award.

Pada tanggal 27 September 2012, Lee Joon Gi's JG Style ditayangkan di Mnet Japan, mendokumentasikan kemunculan kembali Lee ke dunia hiburan. Seri ini kemudian dianugerahi Grand Prize dalam kategori Korean wave di Skapa Award 2012 di Jepang.

Pada 2013, Lee membintangi seri cerita seru laga Two Weeks, memerankan seorang ayah yang berjuang untuk menyelamatkan putrinya dari leukemia saat melawan tuduhan pembunuhan. Ia menerima Top Excellence Award pada kategori pria pada APAN Star Awards ke-2.

2014–sekarang: Drama sejarah dan peran-peran laga

Lee menandatangani kontrak dengan agensi baru, Namoo Actors. Ia kemudian membintangi drama sejarah Gunman in Joseon (2014) dan memenangkan pujian kritis untuk akting dan adegan aksinya, memenangkan Aktor Drama Korea Luar Biasa untuk kedua kalinya di Seoul International Drama Awards. Drama ini menduduki peringkat teratas untuk slot waktunya dan juga menarik perhatian di luar negeri, terutama di Tiongkok di mana ia melampaui 200 juta penayangan dalam sebulan di platform penayangan video Tencent QQ. Ini kemudian diikuti oleh seri romansa vampir Scholar Who Walks the Night pada tahun 2015, yang menghasilkan Lee penghargaan "Top Ten Stars" pada MBC Drama Awards. Pada tahun yang sama, ia menjadi pemeran dalam film Tiongkok pertamanya, Never Said Goodbye.

Pada Januari 2016, Lee dipilih sebagai pemeran utama dari Wang So dalam Moon Lovers: Scarlet Heart Ryeo, daur ulang Korea dari seri televisi Tiongkok, Scarlet Heart. Drama 20 episode ini memiliki anggaran sebesar US$13 juta, ditayangkan perdana pada tanggal 29 Agustus 2016. Produksi ini tidak diterima dengan baik di dalam negeri, tetapi rata-rata 100 juta penayangan kumulatif per episode selama siaran simulnya di situs hosting video Tiongkok Youku dan menyebabkan peningkatan popularitas Lee di Tiongkok. Pada tanggal 1 November, Lee mengadakan pertemuan penggemar gratis yang berjudul “My Love Lee Joon-gi” di mana penggemar dapat menonton episode terakhir Moon Lovers dimana ia hadir.

Pada Oktober 2016, Lee menandatangai kontrak sebagai model baru untuk Lotte Duty Free Shop. Ia juga menjadi salah satu bintang dalam drama web promosi yang berjudul 7 First Kisses untuk perusahaan. Lee kemudian membuat debut Hollywood-nya dengan penampilan di seri keenam dan terakhir dari Resident Evil yang berjudul, Resident Evil: The Final Chapter dimana dirilis diseluruh dunia pada Januari 2017.

Pada tahun 2017, Lee berperan dalam drama prosedural kriminal tvN Criminal Minds, yang didasarkan pada seri Amerika yang bernama sama. Penampilan aktingnya yang meyakinkan sebagai profiler kriminal membuatnya mendapat pujian dari para kritikus dan pemirsa.

Pada 2018, Lee kembali ke tvN dan menjadi pemeran dalam Lawless Lawyer, drama hukum pertamanya dan untuk pertama kalinya ia berperan sebagai pengacara. Ia bertemu kembali dengan sutradara Kim Jin-min, yang sebelumnya bekerja dengan dirinya dalam Time Between Dog and Wolf.

Pada tahun 2020, Lee menjadi pemeran dalam melodrama cerita seru tvN The Flower of Evil, mempertemukan kembali dia dengan bintang Criminal Minds lainnya Moon Chae-won. He was praised for his chemistry with Moon portraying a married couple. Nama Lee adalah kata kunci yang paling banyak dicari di mesin pencari domestik selama tiga minggu berturut-turut, berdasarkan data yang dikumpulkan oleh Good Data Corporation (ko).

Pada tanggal 21 Mei 2020, Lee Joon-gi terpilih sebagai model eksklusif untuk 3D archaistic RPG 궁3D (versi Korea Selatan dari Fate of the Empress) yang dikembangkan oleh FriendTimes(06820.HK).