2006年11月3日,由山田孝之主演的剧情电影《信》上映,玉山铁二在片中饰演男主角武岛直贵的哥哥武岛刚志;12月9日,其参演的爱情电影《情人钥匙》上映,在片中饰演摄影师森本博明;此外,他还参演了爱情电影《NANA2》 。
2007年7月3日,其主演的青春励志剧《向牛牛许愿》首播,在剧中担纲男主角,饰演背负着父亲和整个村落的厚望的高清水高志;同年,主演SP剧《午夜进行曲》,在剧中饰演经营活动策划公司的横山健司 。
2008年1月12日,由瑛太主演的剧情电影《银色季节》首映,玉山铁二在片中饰演退役的职业滑雪选手、在镇上滑雪场打零工的小鸠祐治;1月14日,由香取慎吾主演的现代剧《没有玫瑰的花店》播出,玉山铁二在剧中饰演冷酷无情的外科医生神山舜,这也是他首次在影视作品中挑战反派角色 。
2009年1月4日,其参演的大河剧《天地人》播出,在剧中饰演上杉谦信的养子上杉景虎,与阿部宽饰演一对父子;2月28日,其主演的爱情电影《等待幸福》上映,在片中饰演淳朴善良的男主角友寄明青;4月16日,由天海佑希主演的刑侦剧《BOSS》首播,玉山铁二在剧中饰演警视厅搜查一课特别犯罪对策室刑警片桐琢磨;6月6日,其参演的剧情电影《秃鹫》上映,在片中饰演中国籍收购经理人刘一华,这是他首次在影视作品中尝试中国人的角色,并凭借该片获得第33届日本电影学院赏最佳男配角奖 。
2010年6月5日,其参演的喜剧电影《海边旅店》上映;10月9日,其出演的犯罪悬疑电影《死刑台的电梯》上映,在片中饰演松本美加代的男朋友赤城邦卫;12月11日,改编自村上春树同名小说的剧情电影《挪威的森林》首映,玉山铁二在片中饰演花花公子永泽 。
2011年6月10日,由西田敏行主演的剧情电影《星守之犬》上映,玉山铁二在片中饰演不善与人交往、喜欢沉浸在书本之中的奥津京介;11月27日,其参演的悬疑剧《造花之蜜》首播 。
2012年4月12日,其出演的励志剧《青蛙公主》播出,在剧中饰演兴和制作所的工人乾一希;11月23日,其参演的喜剧电影《八个拔河女》上映,在片中饰演年轻帅气但却与周围格格不入的农家子弟熊田公雄 。
2013年1月6日,其参演的大河剧《八重之樱》首播;10月12日,其参演的爱情电影《向阳处的她》首映,在片中饰演倾慕渡来真绪的会社前辈新藤春树 。
2014年8月30日,由小栗旬主演的犯罪电影《鲁邦三世:埃及艳后的项链》上映,玉山铁二在片中饰演枪法很准的职业枪手次元大介;9月29日,与夏绿蒂·凯特·福克斯搭档主演的励志剧《阿政》播出,在剧中饰演身为酿酒世家传人的男主角龟山政春,并为了角色减重12公斤,该剧平均收视率21.1%,成为2015年日本收视最高且唯一一部平均收视率超过20点的剧集 。
2015年10月2日,其参演的特别剧《以我为名的变奏曲》播出;11月22日,改编自堂场瞬一同名小说的社会剧《误断》首播,玉山铁二在剧中担纲男主角,饰演制药公司宣传部员槙田高弘 。
2016年,获得第40届黄金飞翔奖新人奖;7月17日,由藤原龙也主演的悬疑剧《遗失身份》首播,玉山铁二在剧中饰演藤堂新一大学时代同一研究会的伙伴小山内保 。
2017年3月17日,改编自久住昌之同名漫画的美食剧《野武士的美食》播出,玉山铁二在剧中饰演胆小鬼香住武想象出来的人物野武士;9月16日,与佐佐木希搭档主演的都市爱情网络剧《下雨时你的温柔》首播,在剧中担纲男主角,饰演工作忙碌的杂志副主编立木信夫;9月30日,改编自樱井画门同名漫画的奇幻动作电影《亚人》上映,玉山铁二在片中饰演厚生劳动省亚人管理委员会的重要干部户崎优 。
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