i. Madonna'nın övgüsü de insanların şarkıyı duymasına yardımcı oldu. Mart 2008'de Perry, "Wildfire" dizisinin "Life's Too Short" bölümüne konuk oldu. Haziran'da ise "Yalan Rüzgârı"nda oynadı ve "Restless Style" dergisine kapak oldu.

28 Nisan 2008'de Perry'nin Capitol etiketi taşıyan ilk single'ı "I Kissed a Girl", "One of the Boys"un çıkış single'ı olarak yayımlandı. Aynı ay şarkı, ABD "Billboard" Hot 100 listesinde bir numaraya yükseldi. "One of the Boys", 17 Haziran'da piyasaya sürüldü ve müzik eleştirmenlerinden karışık eleştiriler topladı. "Billboard" 200 listesinde en fazla dokuz numaraya kadar ilerleyebildi ve dünya genelinde 7 milyon kopya sattı. 9 Eylül'de albümün ikinci single'ı "Hot n Cold" satışa sunuldu. Albümün başarı yakalayan bir diğer single'ı oldu, "Billboard" Hot 100'da üç numaraya kadar yükseldi; Almanya, Avusturya, Hollanda ve Kanada'nın ulusal listelerinde zirveye oturdu. Ayrıca 2009'da yayımlanan sonraki single'lar "Thinking of You" ve "Waking Up in Vegas" Hot 100'da ilk 30 sıralama içinde yer aldı. Şarkıcının 2004'te The Matrix ile kaydettiği aynı adlı albüm, kendisinin solo başarısı sonucunda iTunes üzerinden 27 Ocak 2009'da yayımlandı.

Warped Tour'un bitiminden sonra Kasım 2008'de Perry, En İyi Yeni Sanatçı dalında ödül kazandığı 2008 MTV Avrupa Müzik Ödülleri'ni sundu. Ocak 2009'da "One of the Boys"u tanıtmak amacıyla ilk büyük turnesi Hello Katy Tour'u başlattı ve Kasım'a kadar turne kapsamında konserler verdi. 4 Ağustos 2009'da, No Doubt grubunun Summer Tour 2009 turnesine açılış sanatçısı olarak katıldı. Ayrıca 2009 MTV Avrupa Müzik Ödülleri'ni de sundu ve iki yıl üst üste bu ödül törenini sunan ilk sunucu oldu. 22 Temmuz 2009'da iki yeni şarkı eşliğinde "One of the Boys"daki bazı parçaların canlı akustik sürümlerini içeren "MTV Unplugged" albümünü kaydetti ve 17 Kasım 2009'da yayımladı. Ayrıca iki diğer sanatçının single'larına eşlik etti; Eylül 2009'da Colorado merkezli 3OH!3'nin "Starstrukk" şarkısında ve Ocak 2010'da Timbaland'in "Shock Value II" albümündeki "If We Ever Meet Again" şarkısında yer aldı. Bu yıllarda iki milyonun üzerinde dijital single satışı yapması, 2010 yılında "Guinness Dünya Rekorları"na "Bir Kadın Sanatçı Tarafından ABD Dijital Listeleri'ndeki En İyi Başlangıç" olarak kaydedildi.

"I Kissed a Girl", dinî gruplar ve LGBT grupları tarafından yapılan çeşitli eleştirilere maruz kaldı. İlki şarkıdaki eşcinsellik temasını eleştirirken ikincisi Perry'yi sırf kayıtlarını satmak için bi-meraklılığı kullanmakla suçladı. Ardından anne ve babası, Perry'nin müziğine ve kariyerine karşı oldukları yönünde çıkan söylentilere yanıt olarak kızlarının başarısının kendileri açısından hiçbir sakınca teşkil etmediğini MTV'ye açıkladı. Aralık 2008'de McCoy ile olan ilişkisi sonlandı. 2009 yazında gelecekteki eşi Russell Brand ile tanıştığı "Zorlu Görev" filminde, cameo görünümle yer aldı. Fakat daha sonra yer aldığı sahneler filmden kaldırıldı. 2009 MTV Video Müzik Ödülleri'ndeki toplantı sonrasında Perry ile Brand çıkmaya başladı. Racasthan, Hindistan'da birlikte tatil yaptıkları sırada 31 Aralık 2009'da nişanlandılar.

"American Idol"da konuk jürilik yaptıktan sonra Perry, rapçi Snoop Dogg ile düet yaptığı "California Gurls" şarkısını 7 Mayıs 2010'da yayımladı. Şarkı, kendisinin üçüncü stüdyo albümü "Teenage Dream"in çıkış single'ı olarak dağıtıldı ve Haziran'da "Billboard" Hot 100 listesinde bir numaraya yükseldi. Ayrıca Perry, aynı ay "The X Factor" BK yarışmasında konuk jürilik yaptı. ABD'de liste başı olan "Teenage Dream" single'ının Temmuz'da yayımlanmasının ardından 24 Ağustos 2010'da albüm satışa sunuldu. "Teenage Dream" albümü, "Billboard" 200 listesine bir numaradan giriş yaptı. Müzik eleştirmenlerinden karışık geri dönüşler aldı ve dünya genelinde 5,7 milyondan fazla kopya sattı. Ekim'de üçüncü single "Firework" yayımlandı. 8 Aralık 2010'da Hot 100 listesinde zirveye yükselerek albümün üçüncü bir numaralı single'ı oldu.

"Teenage Dream" dönemi, "E.T." şarkısının rapçi Kanye West ile düet yapılarak Şubat 2011'de dördüncü single olarak yayımlanan remiks sürümüyle devam etti. Şarkı, Hot 100 listesinde aralıksız beş hafta bir numarada kalarak "Teenage Dream"i listede bir numara olan dört single'ı barındıran dokuzuncu albüm yaptı. Sonraki single "Last Friday Night (T.G.I.F.)"ın da 17 Ağustos'ta "Billboard" Hot 100'da bir numaraya yükselmesiyle Perry, aynı albümden Hot 100'da bir numara olan beş tane single çıkaran ilk kadın şarkıcı oldu ve Michael Jackson'ın "Bad" albümüyle yakaladığı bu başarıyı yakalayan ikinci sanatçı olarak kayıtlara geçti. Bu rekor, Kasım 2011'de Amerikan Müzik Ödülleri tarafından ödüllendirilirken 2013'te Guinness Dünya Rekorları'na dahil edildi. Ekim'de "The One That Got Away", "Teenage Dream"in altıncı single'ı olarak yayımlandı. Hot 100'da en fazla üç numaraya, Kanada'da iki numaraya kadar yükseldi. 13 Şubat 2012'de, ""ın ilk single'ı "Part of Me" yayımlandı ve Perry'nin kariyeri boyunca Hot 100 listesinde zirveye yükselen yedinci single'ı oldu. "Teenage Dream"in yeni şarkılarla yeniden basılmış sürümü "Teenage Dream: The Complete Confection", 23 Mart'da satışa sunuldu. Yeni basımın 22 Mayıs'ta piyasaya sürülen ikinci ve son single'ı "Wide Awake", Hot 100'da iki numaraya kadar ilerleyebildi, Kanada ve Yeni Zelanda'da bir numaraya yükseldi. 5 Ocak'ta açıklanan Nielsen SoundScan verilerine göre Perry, 37,6 milyon satış yapmasıyla ABD'de tüm zamanların en çok dijital satış yapan sanatçıları listesinde altıncı sırada yer aldı. Aynı ay, beş şarkısı birden 5 milyondan fazla dijital satış yapan ilk sanatçı olduğu açıklandı.
Şubat 2011'den Ocak 2012'ye kadar Perry, "Teenage Dream"e destek amacıyla düzenlediği California Dreams Tour kapsamında konserler verdi. Turne sayesinde dünya genelinde $59,5 milyon hasılat elde etti ve 2011 MTV Avrupa Müzik Ödülleri'nden En İyi Canlı Performans dalında ödül elde etti. 23 Eylül 2011'de Rock in Rio festivalinin açılışında Elton John, Claudia Leitte ve Rihanna'yla birlikte sahne aldı. Eylül 2010'da Perry'nın "Susam Sokağı"nın 41. sezonunun tanıtımlarında oynaması planlandı. Yer aldığı sahne ilk olarak YouTube'a yüklendi ancak dekoltesinin fazlalığı yüzünden izleyicilerin eleştirilerine maruz kaldı. Dört gün sonra Sesame Workshop, videonun televizyonlarda yayımlanmayacağını ancak çevrim içi ortamlardan izlenebileceğini duyurdu. Kısa bir süre sonra "Saturday Night Live"a müzikal konuk olarak çıktı, buradaki skeç sırasında dekoltesini büyük miktarda ortaya çıkaran bir gömlek giyerek eleştirilerle dalga geçti.

Aralık 2010'da Perry, "Simpsonlar"ın "The Fight Before Christmas" adlı noel bölümünde Moe Szyslak'in kız arkadaşını canlandırdı. Şubat 2011'de "How I Met Your Mother"ın "Oh Honey" bölümünde Honey adıyla konuk oyunculuk yaptı. Buradaki oyunculuğuyla People's Choice Ödülleri'nden Sevilen TV Konuk Yıldızı ödülünü aldı. 29 Temmuz 2011'de gösterime giren üç boyutlu aile sinema filmi "Şirinler"de Şirine'yi seslendirerek ilk kez bir filmde yer almış oldu. Film, çoğu eleştirmenden olumsuz eleştiri almasına rağmen gösterimi sırasında dünya genelinde başarılı bir hasılat elde etti. "Saturday Night Live"da Robyn'in müzikal konuk olduğu 10 Aralık 2011 tarihli bölümde sunuculuk yaptı. Perry'nin bölümdeki çalışması genel olarak eleştirmenlerin olumlu geri dönüşlerini aldı, komedi konusundaki zamanlaması ve Andy Samberg eşliğindeki kısa video övüldü. Mart 2012'de "Raising Hope"un "Single White Female Role Model" bölümünde Rikki adıyla bir hapishane güvenlik görevlisini canlandırdı. 5 Temmuz 2012'de Perry'nin otobiyografik belgesel filmi "", Paramount Pictures aracılığıyla sinemalarda gösterime girdi. Film, olumlu eleştiriler aldı ve dünya genelinde gişelerde $32.7 milyon hasılat elde etti.

Perry, Kasım 2010'da ilk parfümü Purr'u tanıtarak ticarete atıldı. İkinci parfümü Meow!, Aralık 2011'de piyasaya sürüldü. İki parfüm de, Nordstrom mağazaları aracılığıyla satışa sunuldu. Electronic Arts, Perry'den esinlenerek oluşturulan mobilyaları, giysileri ve saçları içeren "The Sims 3: Katy Perry's Sweet Treats" adındaki ayrı bir genişletilmiş paketi Haziran 2012'de yayımlamadan önce, genişletilmiş paket ""ın tanıtımları için Perry'yi kullandı. Sonraki ay şarkıcı, Popchips'in sözcüsü ile temsilcilisi oldu ve şirkette yatırım yaptı. "Forbes" tarafından derlenen "Müzikte En Çok Kazanan Kadınlar" listesinde 2011 yılında $44 milyon gelir ile üçüncü, 2012 yılında $45 milyon gelir ile beşinci sırada yer aldı.

Perry, Russell Brand ile 23 Ekim 2010'da geleneksel bir Hindu töreniyle Racasthan'daki Ranthambore kaplan mabedinde evlendi. Evliliğin on dördüncü ayındayken 30 Aralık 2011'de Brand, Perry ile ayrıldıklarını doğruladı. Kariyerlerindeki işlerin çakışması ve Brand'in Perry'den hazır olmadığı hâlde çocuk istemesi ayrılığın sebebi olarak gösterildi. Ancak "BRAND: A Second Coming" belgesel filminin Mart 2015'te SXSW Film Festivali'nde yapılan galasında, Brand'in Perry'den boşanmasının asıl sebebinin şarkıcının giderek ünlenmesi, ticari başarısının giderek artması ve aktivistliğe çok zaman ayırması olduğu öğrenildi. Brand tarafından Perry'ye, boşandıklarını bildiren bir mesaj atılmasından sonra çift bir daha hiç konuşmadı. Perry, boşanma yüzünden fazlasıyla perişan olduğunu ve intihar etmeyi bile düşündüğünü söyledi. Evliliğin 2012'de resmen sonlanmasının ardından Ağustos'ta şarkıcının John Mayer ile ilişkisi başladı.

Kasım 2012'de Perry, dördüncü stüdyo albümü "Prism"ın hazırlıklarına başladı. "Billboard"a şunları söyledi: "Bir sonraki kaydımda yapmak istediklerimi tam olarak biliyorum. Albüm kapağını, renkleri ve sesleri biliyorum. Sonraki turnemde ne tür bir şey yapacağımı bile biliyorum. Kafamda bir vizyon var ve eğer gerçekleşirse çok memnun olacağım." Haziran 2012'de "Prism"ın "karanlık unsurlar" içermesini planladığını "L'Uomo Vogue"a söylemesine rağmen, 2013 MTV Video Müzik Ödülleri sırasında MTV'ye verdiği röportajda, kendi içine döndüğü dönemden sonra albümün yönünü değiştirdiğini bildirdi. Durumu, albümünün isminden esinlenerek "Ço