Hậu duệ mặt trời

Bất chấp những lời khuyên trái chiều, Song Joong Ki nhận vai diễn Sejong - một nhà vua trẻ trong bộ phim Deep Rooted Tree mặc dù thời gian anh xuất hiện trên phim chỉ là 4 tập. Anh đọc rất nhiều tài liệu lịch sử và là người đặt nền móng cho nhân vật nhà vua của nam diễn viên chính Han Suk-kyu sau này. Anh nói rằng mình cảm thấy "một vai diễn đầy thách thức luôn đáng giá hơn một vai chính trong một bộ phim truyền hình ngắn''. Các nhà phê bình khen ngợi khả năng làm việc xuất sắc của anh, họ gọi đó là vai diễn của một thiên tài, người mà đã "sớm nhận ra sự vô ích của quyền lực trong cuộc sống khi còn rất trẻ" , người che đậy những quyển sách của mình nhầm đối phó với việc lớn lên dưới sự cai trị của người cha độc đoán của ông, vua Taejong.

Trong một chương trình của đài MBC mang tên Tears of the Earth - chương trình tập trung để nói về những vấn đề cấp bách của mội trường trên hành tinh, Song Joong Ki đã thực hiện thuyết minh cho bộ phim tài liệu bao gồm 6 phần có tên Tears of the Antarctic - một phần của serie phim Tears of the Earth. Và toàn bộ số tiền cát-xê mà Song Joong Kinhận được khi làm bộ phim này đã được anh dành cho từ thiện. Anh đồng thời thành công vang dội với vai trò là người thuyết minh cho Pengi and Sommi khi bộ phim được biên tập lại và phát hành tại nhiều rạp. Sau đó, Song Joong Ki cũng có chuyến đi gặp gỡ người hâm mộ qua 6 nước mang tên Song Joong-ki Asia Fan Meeting Tour - THRILL & LOVE,tổ chức họp fan tại Thái Lan, Singapore, Trung Quốc, Hồng Kông, Đài Loan và Seoul, Hàn Quốc.

Năm 2012, Song Joong Ki được biết đến như một gương mặt "hiện tượng của năm'' trong sự nghiệp diễn xuất của mình, khi anh vào vai một anh chàng người sói trong bộ phim điện ảnh giả tưởng lãng mạn A Werewolf Boy, phim được trình chiếu tại Liên hoan phim quốc tế Toronto vào năm 2012. Để chuẩn bị cho vai diễn của mình, anh đã phải xem những bộ phim tài liệu về thiên nhiên và quan sát những chú chó đi lạc trên đường để học cách diễn và bắt chước chuyển động cơ thể của loài động vật. Anh cũng nhiều lần xem đi xem lại tác phẩm điện ảnh giả tưởng lãng mạn từng được phát hành vào năm 1990 - Edward Scissorhands của đạo diễn Tim Burton, bộ phim về ma cà rồng Let Me In (2010) của Matt Reeves, và nhân vật Gollum trong The Lord of the Rings. Anh nói ''đó là một dự án mà khiến tôi phải suy nghĩ rằng tôi phải nói lời tạm biệt với tuổi trẻ của mình, tôi không còn trẻ nữa và đây chính là thời gian thích hợp để tôi trở thành một người đàn ông''. A Werewolf Boy đã trở thành bộ phim điện ảnh tình cảm Hàn Quốc thành công nhất mọi thời đại, với hơn 7 triệu vé bán ra.