본인의 연기 겸 드라마 데뷔작은 2003년 3월부터 방영한 MBC 드라마 《위풍당당 그녀》. 다음으로는 2003년 7월부터 방영한 드라마 《1%의 어떤 것》으로 싸가지 없으면서도 잔정 있는 꽃미남 재벌 2세로 출연해 이름을 날리기 시작했다.

2004년 1월에 개봉한 《그녀를 믿지 마세요》에서 최희철 역을 맡았다. 친근하고 구수한 목소리와 김하늘과 치고받는 억척스러운 억양이 관객들에게 큰 웃음을 선사했다.

2004년 7월에 개봉한 《늑대의 유혹》에서 정태성 역을 맡았다. 여기서 제대로 꽃미남 이미지로 꽂혀 강동원을 일약 스타덤에 올려놓았다. 이 영화에서 강동원이 우산 들어주는 장면은 한국 영화사에서 두고두고 회자될 장면으로 남았으며 이후 많은 매체에서 패러디한다. 강동원 본인은 우스갯소리로 이 광경을 극장에서 직접 목격하지 못해 아쉽다고 언급했다. 본인은 이 당시, 신인으로서 얻은 폭발적인 인기에 '이 영화에서 얻은 인기가 얼마나 갈까'라는 회의감에 젖어 마냥 기쁘지만은 않았다고 한다. 오히려 부담이 되는 동시에 배우로서 자극이 되었다고 밝혔다.

2004년 8월에는 SBS 드라마 《매직》에서 차강재 역을 맡았다. 이는 마지막 드라마 출연작으로, 강동원은 열악한 드라마 현장이 본인이 드라마를 하지 않는 이유라고 밝혔다.

2005년 9월에 개봉한 사극 영화 《형사 DUELIST》에서 슬픈 눈 역을 맡았다. 본인도 상당히 애착을 가진 작품 중 하나이지만 생각보다 흥행이 많이 되지 않아 상심이 컸던 듯. 흥행은 잘 되지 않았지만 청룡영화상 조명상, 미술상과 영평상 최우수작품상, 감독상, 촬영상, 10대영화상을 받으며 작품성을 인정받아 강동원이 시상식에서 꽤나 기뻐했다. 영화 《협녀, 칼의 기억》에서 형사의 칼싸움 신이 오마쥬되었다. 2015년 10주년 행사에도 참석했다. 본인은 훗날 이 영화를 인생의 터닝포인트였다고 말한다.