Saya mau tau 2011–2015: Peran di film dari Han Hyo-joo

Pada tahun 2011, Han berperan sebagai seorang telemarketer buta di film melodrama Always bersama dengan So Ji-sub yang beperan sebagai mantan petinju. Film yang disutradarai oleh Song Il-gon ini ditayangkan pertama kali sebagai film pembuka Festival Film Internasional Busan tahun 2011. Han kemudian mengisi narasi suara untuk versi "barrier-free" dari film Jepang, My Back Page, yang menyediakan audio deskriptif dan subtitel untuk orang-orang yang mengalami gangguan pendengaran dan pengelihatan.

Han kemudian berperan sebagai ratu dari Raja Gwanghae yang diperankan oleh Lee Byung-hun di film sejarah tahun 2012, Masquerade, yang menjadi salah satu film terlaris sepanjang masa di Korea Selatan. Setelahnya, ia membintangi film Love 911, tentang kisah asmara  antara seorang dokter dan pemadam kebakaran (Go Soo) yang tak mungkin terjadi.

Pada tahun 2013, Han bersama dengan Sol Kyung-gu and Jung Woo-sung membintangi film Cold Eyes, remake dari film Hong Kong tahun 2007 Eye in the Sky. Film ini mendominasi box office setelah perilisannya dan menjadi salah satu film sukses pada tahun 2013 di negaranya. Han menerima penghargaan Aktris Terbaik di Penghargaan Film Blue Dragon dan Penghargaan Film Buil atas penampilannya di film tersebut.

Pada tahun 2014, Han dan lawan mainnya di Love 911  bertemu kembali di film pendek Myohyangsangwan ("Pemandangan Gunung Myohyang"), yang menceritakan pertemuan antara seorang pelukis dari Korea Selatan dan pelayan wanita dari Korea Utara di sebuah restoran di Korea Utara. Film pendek ini merupakan kolaborasi antara seniman kontemporer Moon Kyung-won dan Jeon Joon-ho, dan dikombinasikan dengan alur teatrikal, pengimajinasian eksprimental, tarian, dan seni pertunjukan.

Ia kemudian menjelajahi pasar luar negeri dengan membintangi film Jepang pertamanya, yang berjudul Miracle: Debikuro-kun no Koi to Maho ("Miracle Devil Claus' Love and Magic"). Dengan latar waktu saat musim Natal, film ini adalah tentang kisah cinta pekerja toko buku yang baik hati (diperankan oleh Masaki Aiba dari Arashi) yang bertemu dengan tiga wanita.

Pada tahun 2015, Han membintangi C'est Si Bon, sebuah film musikal biografi yang menceritakan jatuh bangun grup musik tradisional Twin Folio, yang aktif pada tahun 1960-an sampai 1980-an. Terkenal karena pertunjukan langsungnya, C'est Si Bon adalah nama dari lounge musik yang populer di Mugyo-dong pada tahun 1970-an, tempat Twin Folio dimulai; Han berperan sebagai muse grup tersebut. Ini kemudian diikuti dengan penampilannya di The Beauty Inside, film komedi romantis yang menceritakan tentang karakter yang diperankan Han jatuh cinta dengan pria yang berubah menjadi orang yang berbeda setiap harinya.

Kemudian pada tahun yang sama, Han bersama dengan Yoo Yeon-seok dan Chun Woo-hee, keduanya adalah lawan mainnya di The Beauty Inside, membintangi film Love, Lies, yang menceritakan kisah gisaeng terakhir selama masa pendudukan Jepang di Korea pada tahun 1940-an.

2016–sekarang: Comeback di televisi dan debut di Amerika

Pada tahun 2016, ia kembali ke layar kaca dengan membintangi serial fantasi thriller MBC,  W bersama dengan Lee Jong-suk. Ekspetasi terhadap serial ini meningkat mengingat bahwa serial ini disutradarai oleh Jung Dae-yoon yang menyutradarai She Was Pretty dan ditulis oleh Song Jae-jung yang pernah menulis drama Nine: Nine Time Travels dan Queen In-hyun's Man, dan menandakan comeback Han di layar televisi setelah enam tahun. Ia memenangkan penghargaan Top Excellence di APAN Star Awards ke-5 dan MBC Drama Awards atas penampilannya di W.

Pada tahun 2018, Han membintangi film thriller Golden Slumber bersama Kang Dong-won. Pada tahun yang sama, ia bertemu kembali dengan Kang sebagai pemeran utama di film Illang: The Wolf Brigade, yang didasarkan pada film animasi Jepang dengan nama sama.

Pada tahun 2019, Han dikonfirmasi sebagai bagian dari pemeran utama serial televisi Amerika Serikat Treadstone, yang merupakan bagian dari waralaba serial film Universal, Bourne.