与好莱坞电影结缘始于2008年的《功夫之王》,2010年邓文迪邀李冰冰出演好莱坞文艺片《雪花秘扇》女一号,让她再次进入全球观众视野。在该片的纽约首映礼上,《生化危机5》导演保罗·安德森找上门来,定角女二号。
2012年李冰冰是唯一获邀走上第84届奥斯卡金像奖红地毯的华人演员,《纽约时报》曾以《所有目光都转向李冰冰》为题,刊文称赞她的夺目星光。同年9月李冰冰成为第一位进驻香港杜莎夫人蜡像馆的内地女明星,也是第一位在上海和香港同时拥有蜡像的内地女星,后因钓鱼岛事件缺席《生化危机5》的东京首映会,李冰冰表明立场,发生钓鱼岛事件就绝不去日本。同年10月她正式签约好莱坞经纪公司UTA本部,该公司代理李冰冰在美国及海外业务。此后,李冰冰只身在洛杉矶学习外语半年。