2000年代中盤、小池徹平は俳優としても黄金期を迎えます。出演した作品の多くが平均視聴率20%を超える大ヒットを記録し、お茶の間での認知度を決定的なものにしました。
まず2004年のドラマ『WATER BOYS2』では、シンクロに情熱を注ぐ男子高校生・岩田巌男役を好演。引き締まった肉体と日焼けした笑顔が瑞々しい輝きを放ちました。
続く2005年1月期のドラマ『ごくせん 第2シリーズ』では、亀梨和也や赤西仁らと共に主要生徒の武田啓太役として出演。同作は日本テレビ歴代ドラマ屈指の平均視聴率28.0%（最終回32.5%）を叩き出し、気弱ながらも仲間思いな熱いキャラクターで絶大な支持を集めました。
さらに同年7月期のTBS系ドラマ『ドラゴン桜』では、バンド活動と受験勉強に揺れる緒方英喜役を熱演。トレードマークの銀髪メッシュ姿が「かっこよすぎる」とティーンの間で大流行しました。
そして2006年からスタートした大人気医療ドラマ『医龍-Team Medical Dragon-』シリーズでは、頼りない研修医から過酷な医療現場を経て一人前の心臓外科医へと成長していく伊集院登役を好演。シリーズ第4作まで続く代表作となり、単なる「可愛いアイドル俳優」から「確かな演技力を持つ実力派俳優」へと脱皮を遂げました。
