W 2002 za grę w filmie Dahmer został nominowany do nagrody Independent Spirit Awards. Rok później wystąpił w teledysku do piosenki Pink – „Trouble” (2003) jako szeryf, a także dreszczowcu S.W.A.T. Jednostka Specjalna (2003) u boku Colina Farrella i Samuela L. Jacksona. Następnie otrzymał angaże w filmach Daleka północ, 28 tygodni później czy Zabójstwo Jesse’ego Jamesa przez tchórzliwego Roberta Forda.
W 2008 otrzymał rolę w filmie The Hurt Locker. W pułapce wojny w reżyserii Kathryn Bigelow. W obrazie opowiadającym o służbie żołnierzy w będącym w stanie wojny Iraku, wcielił się w postać starszego sierżanta Williama Jamesa. Za rolę Renner otrzymał nominację do nagrody Independent Spirit Awards i nagrody Gildii Aktorów Filmowych dla najlepszego aktora pierwszoplanowego. Zdobył nagrodę Satelitę dla najlepszego aktora w filmie dramatycznym.
2 lutego 2010 otrzymał nominację do Oscara dla najlepszego aktora pierwszoplanowego za rolę w filmie The Hurt Locker. W pułapce wojny. Rok później aktor grał drugoplanową postać w filmie Bena Afflecka Miasto złodziei, za który otrzymał swoją drugą nominację do Oscara.
Wziął udział w sesji zdjęciowej dla magazynów: „Men’s Health”, „Esquire”, „Details”, „GQ”, „Entertainment Weekly” i „Vanity Fair”.