2004年，郭晓峰前往北京电影学院导演班进修学习。2006年，郭晓峰执导并主演了电影《儿子同志》饰夏团长，该影片入围第10届上海国际电影节电影频道传媒大奖和第12届中国电影华表奖优秀少儿童牛影片奖。

2007年，主演电影《寂静的哨所》饰姜树威，该影片入围第九届长春电影节“最佳影片奖”；同年参演电影《此生此爱》，该影片入围第11届上海国际电影节电影频道传媒大奖。

2008年，出演管虎导演执导的战争题材电视剧《沂蒙》，饰八路军首长陈同；同年，主演电影《长城脚下是我家》饰张贺山。

2009年，搭档秦岚等主演谍战剧《红色电波》饰演信仰坚定的地下党领导人“黄哲”一角。2010年，联手弟弟郭晓冬等主演谍战年代题材电视剧《我是真的》，饰中年桑义州。

2011年，参演刑侦涉案题材电视剧《国门英雄》饰方虎。2012年，主演电影《渡江！渡江！》，饰演解放军指导员赵长河，而该片则入围了第21届中国金鸡百花电影节最佳影片奖。

2013年，郭晓峰主演的涉案题材电视剧《点金者》播出，他在剧中饰演刑警队长武峰；同年，其主演的历史剧《大清盐商》在央视八套播出，郭晓峰在剧中饰演何思圣。由于《大清盐商》和《点金者》这两部戏是同时拍摄的，因此郭晓峰每天背台词都要背到凌晨三四点钟。

2014年，参演励志传奇电视剧《镖门》饰张端和。2015年8月31日，民国谍战剧《伪装者》定档湖南卫视金鹰独播剧场，郭晓峰首次与胡歌、靳东等演员合作，在剧中饰演“黎叔”一角。该剧获得2015国剧盛典年度十大影响力电视剧；同年，主演网络电影《弥天之谎》，在戏中扮演男一号刑警队长杜闻 ；12月，参演古装奇幻喜剧《大仙衙门》，在剧中饰演一位正直善良的宫廷御医王太常；12月12日，在主演悬疑推理片《左耳神探之诡来电》中饰演左耳神探夜文涛，并担任监制。

2016年，与卢卓婕合作出演了网络微电影《派出所长》，凭借该片中的表现获得北京国际微电影节最佳男主角奖 ；10月21日，其参演的近代革命剧《红旗漫卷西风》播出，郭晓峰在剧中饰演心狠手辣、老谋深算的反动派军官李耀川。

2017年，参演古装爱情悬疑电视剧《锦衣之下》，该剧已在2019年播出。

2020年，参演重大革命历史题材献礼剧《光荣与梦想》，该剧于2020年8月官宣。