2002年，主演了由尤小刚执导的清宫秘史三部曲之《孝庄秘史》，在剧中饰演清太祖努尔哈赤的第十五子爱新觉罗·多铎；多铎的结局在原剧本中只有一句话简略带过，但赵鸿飞在研读剧本后，主动找编剧杨海薇商讨，最终将其改成了剧里所呈现的那场感人肺腑的哭戏；该剧播出后，斩获第21届中国电视金鹰奖优秀作品奖。同年，赵鸿飞领衔主演西部武侠剧《关西无极刀》，在剧中一人分饰两角，饰演了一对自幼分离的孪生兄弟——刀客孩哥和楼兰王子。

2003年4月，主演了秘史三部曲之《皇太子秘史》，其在剧中所饰演的康熙第四子胤禛，不仅是一位勤勉刚毅、野心勃勃、精于权谋的天潢贵胄，也是一名温文儒雅、心思细腻、儿女情长的少年郎；为了使角色更加饱满，他还自行购置了一些道具，如戒指、怀表、有小人的洋钟。同年，参演武侠电影《十面埋伏》，在片中饰演一位名不见经传的州邑捕快；因为拍摄时任务重、且全是打戏，他的双脚很快便都肿了，于是他每天先用纱布缠住脚再穿鞋，而每一场长镜头打戏拍摄结束时，脚早已疼得麻木。

2004年6月，主演了秘史三部曲之《太祖秘史》，他在剧中所饰演皇子爱新觉罗·舒尔哈齐，自幼成长于中原，骁勇善战却又善良多情，一生爱别离、求不得，至死方得解脱。10月，与刘亦菲、黄晓明合作主演金庸武侠剧《神雕侠侣》，在剧中饰演稳重仁义、机智多谋的辽国皇室后裔耶律齐。

2005年9月，主演武侠剧《君子好逑》，在剧中一人分饰两角，分别饰演了痴情霸道的小侯爷沙武和忠心耿耿的大将军侯孝；由于沙武和侯孝有许多对打的场面，他在拍摄时不仅要切换妆造，更牢记住双方的表情、招式，以防露出破绽。

2006年1月，主演了改编自京剧折子戏的古装动作电影《血溅三岔口》，在片中饰演抗辽名将任堂惠；在第一天拍摄打戏时，他就因在空中不甚踢到柱子，导致左脚受伤红肿发炎，连鞋都穿不进去，但之后仍坚持带伤拍戏。7月，领衔主演古装剧《大祠堂》，他在剧中所饰演的谢致成，是一位克己复礼、聪慧善良的徽商，默默背负着家族使命砥砺前行，最终成为家族掌祠人。12月，领衔主演民国剧《追梦英雄》，在剧中饰演“中国奥运第一人”刘长春。

2007年4月，与谢霆锋、乔振宇联袂主演古龙武侠剧《浣花洗剑录》，他在剧中所饰演的木郎神君，身为锦衣卫首领却受命在江湖卧底，对朋友有义、对恋人有情，然而在身份暴露后终成黑白两道公敌，与兄弟反目、死于恋人剑下。同年，参演现代家庭剧《一错再错》，其在剧中饰演的富二代张扬，因原生家庭破碎而自幼缺爱、性格偏执，渴望温情而不得，最终亲手毁人毁己。

2008年3月，主演清代传奇剧《天地民心》，他在剧中所饰演的名门之后冯怀义，因其父遭诬陷而被满门抄斩，一生筹谋为父昭雪，但最终为国家大义而舍弃个人恩怨；该剧获得第28届中国电视剧飞天奖长篇电视剧三等奖。9月，主演的现代情景喜剧《爱梦电影》第五季在电影频道播出，其在剧中饰演青年新锐导演沙浩。10月，主演清代官场喜剧《铁齿铜牙纪晓岚第肆部》中的《笔谈奇案》单元，并在剧中饰演了为替爱人伸冤而扮丑装傻、在酷刑下坚贞不屈的崔玉言。

2009年2月，参演上古神话剧《远古的传说》，在剧中分别饰演龙太子和魔帝。10月，领衔主演了武侠剧《女神捕》，其在剧中所饰演的巡捕杨小檐，本是一位心思缜密的锦衣卫卧底，却因在卧底过程中与监视对象互生情愫，而情义两难全；在拍摄期间，因为他坚持不用替身而导致脚部受伤、而且在后续的危险镜头拍摄时仍然亲自上阵，所以成为了继成龙、谢霆锋之后，第三位被保险公司列入黑名单的艺人。

2010年1月，主演古装神话剧《天地姻缘七仙女》，在剧中饰演孤傲执着、情深不寿的元始天尊大徒弟火龙子。4月，领衔主演抗日剧《三十里铺》，他在剧中饰演了在战火纷飞的时代背景下，逐步成长为革命战士的陕北农村青年傅来喜。

2011年10月，主演神话励志剧《妈祖》，在剧中饰演心狠手辣、为祸人间的东海龙王敖广第二子睚眦；拍摄时，他积极克服了晕船、冬日的海风、及频繁的夜戏所带来的不适；该剧斩获第27届中国电视金鹰奖优秀电视剧奖、第29届中国电视剧飞天奖长篇电视剧二等奖。

2012年11月，领衔主演民国军旅剧《血誓》，他在剧中所饰演土匪林武，本是一位思想进步的新军，在其父遭部下暗算身亡后，带领余下的兄弟们落草为寇；他一生肩负责任、信守承诺，最终杀身成仁；该剧入围第27届中国电视金鹰奖电视剧奖，并获得湖北省第九届精神文明建设五个一工程奖。

2013年6月，领衔主演都市爱情电影《恋上美人鱼》。

2014年7月，入围第27届中国电视金鹰奖最佳男演员。

2015年9月，领衔主演武侠电影《暗器》，他在片中饰演的锦衣卫叶藏风，因厌倦杀戮而辞官；为追寻心中光明，加入自诩正道法庭的仲裁堂，本以为可以惩恶扬善，却未料仲裁堂的首脑们皆以正义为幌、行谋求私利之事；而他一直秉持心中的正义、不懈地追查每个案件真相，因此触动了伪君子们最根深蒂固的利益；当他想离开仲裁堂、开始新的生活时，死于暗杀。

2020年7月21日，参演的电影《恋上美人鱼》上映。

赵鸿飞性格低调谦和，一直以来都把重心放在演好每一个角色上。在武侠剧《凤在江湖》中，他一袭黑白相间的纱质侠衣随风飘逸，一双清亮的眼睛掩映在散乱不羁的丝丝长发中，手持一柄长剑，寒光逼人。

在清宫剧《皇太子秘史》中，赵鸿飞把胤禛性格的复杂性诠释得恰到好处，虽然气质儒雅、风度翩翩，却也手段精明、城府极深；不但有雄图大略，却也阴沉残忍。他所饰演的四阿哥，安静时，笑容清浅、如山水写意般意态悠远；走路时，如春风乍起吹皱一池春水；筹谋时，如绵里藏针般阴险狡诈；出击时，如利刃出鞘般杀气凛凛。

在武侠剧《神雕侠侣》中，赵鸿飞的武打动作干净利索，展现出光明磊落的气概，将金庸笔下的“少年豪侠”耶律齐塑造得丰满灵动。在深夜为完颜萍画像的剧情中，赵鸿飞通过唇边若有若无的一丝微笑、以及用书轻掩住画像的动作，把耶律齐对这位妄图刺杀自己父亲的美人的复杂感情，展现得淋漓尽致。

在清代传奇剧《天地民心》中，他向观众展示了冯怀义豪气干云的一生，从风华正茂的少年、到满身沧桑的暮年；不论是外表的展现、还是性格的雕刻，都被他精准把握。

在民国剧《追梦英雄》中，他所饰演的刘长春一头精神的短发、眼神坚定。因为赵鸿飞本身形象硬朗、正气十足，所以更贴合地展现了“中国奥运第一人”的风采——在田径场上，如豹子般敏捷；在面对敌人时，坚韧而勇敢。通过张力十足的表演，他将刘长春坚定的决心、浩然的正气尽数呈现给观众。该剧的顾问、刘长春的儿子刘鸿图表示，赵鸿飞所饰演的刘长春特别有精气神、其角色把握很到位。（央视网、新浪、网易、搜狐综合评）