2010年宋仲基在电视剧《妇产科女医生》中饰演妇产科实习医生安靖宇。后又与中国演员张翰合作出演了《心心历险记2》。同年宋仲基加入SBS电视台艺能节目《Runningman》成为固定嘉宾，后因专注演技退出。

2010年出演电视剧《成均馆绯闻》女林一角让宋仲基被观众所熟知。凭借此剧，宋仲基在年底的KBS演技大赏中获得人气奖及中篇剧集男子优秀演技奖提名。

2011年，宋仲基搭档同公司演员韩艺瑟出演电影《攒钱罗曼史》。下半年，加入史剧《树大根深》，在剧中扮演青年世宗，并在年底的SBS演技大赏凭借仅有四集戏份的《树大根深》获得PD奖 。

2012年，宋仲基接拍了KBS电视台水木剧《善良的男人》，在电视剧中首次担任男主角。该剧最高收视率达18.8%，宋仲基也凭借此剧获得第20届韩国文化演艺大奖电视剧最佳男演员奖、K-DRAMA STAR AWARDS最佳男演员奖 、KBS演技大赏男子最优秀演技奖、网络人气奖及最佳情侣奖。该剧2013年1月在日本进行首播，之后台湾、香港也相继播出，并于2013年8月10日登陆安徽卫视 。

2012年宋仲基主演的电影《狼族少年》上映，正片票房达665万4842观影人次，与加长版累计票房706万8920观影人次，打破了之前《建筑学概论》作为纯爱电影类型片所创下的410万观影人次的票房记录。电影公映前已于多伦多国际电影节、温哥华国际电影节和釜山国际电影节等多个电影节展映。宋仲基也凭借此片在第49届百想艺术大赏提名电影部门最佳男主演。

2013年2月，宋仲基正式加盟车太贤所在经纪公司BLOSSOM娱乐。2016年年初，与黄政民、苏志燮合作，主演战争电影《军舰岛》，饰演朴武英。2月24日，与宋慧乔合作主演的KBS 2TV水木剧《太阳的后裔》首播，宋仲基在剧中饰演特战部队大尉柳时镇。5月，在漫画改编电视剧《心里的声音》中客串[25] 。5月30日，宋仲基正式签约腾讯应用宝，担任其品牌代言人，该次也是宋仲基首次代言中国互联网产品