Parallèlement il fait ses premiers pas au cinéma avec le film Stella réalisé par Sylvie Verheyde. Débuts prometteurs puisque ce rôle lui vaut une nomination aux César en 2009. On le retrouve ensuite notamment dans les films Pourquoi tu pleures ?, de Katia Lewkowicz (2011) et Au bout du conte d’Agnès Jaoui (2013).

Fin 2012, Benjamin Biolay sort Vengeance, son sixième album, aux sonorités plus rock. Il produit et réalise ensuite le disque de Vanessa Paradis, Love Songs, qui paraît en mai 2013. Il devient juré pour l’émission de télé-crochet de M6, La Nouvelle star 2017.

Le 12 février , il remporte le prix du meilleur artiste masculin et du meilleur album de l’année lors des Victoires de la Musique pour l’album Grand Prix. Le 9 septembre 2022, il revient avec un nouvel opus baptisé Saint-Clair.

En décembre 2022, il est à l’affiche du film Stella est amoureuse. À cette même période, il achève le tournage du film La Rosalie, où joue également sa fille Anna.

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