Changmin debut dalam bidang lakonan bersama-sama ahli TVXQ dalam mini drama berjudul Vacation, dimana tayangan perdananya ditayang di auditorium utama di Universiti Yonsei. Beliau juga menyertai beberapa episod dalam Banjun Drama, sebuah mini drama popular yang bersiaran di rangkaian SBS.[7][8]

Pada tahun 2010, Changmin tampil sebagai peranan jemputan dalam drama Athena: Goddess of War, sebagai pakar letupan dari NIS.[9]

Pada tahun 2011, Changmin memainkan peranan utama buat pertama kali dalam drama komedi romantik bertajuk Paradise Ranch berganding dengan Lee Yeon-hee. Beliau juga menggunakan suara beliau sendiri dalam versi Jepun untuk drama yang sama.[10]

Pada tahun 2012, Changmin debut di layar perak dalam filem Jepun Fly With The Gold berdasarkan novel oleh Takamura Kaoru. Beliau memainkan peranan Momo, seorang perisik Korea Utara yang menyamar sebagai pelajar kejuruteraan.[11][12] Beliau telah dipuji untuk dialek Osaka yang fasih dalam filem tersebut oleh pengarah Izutsu Kazuyuki.[13] Changmin telah dicalonkan untuk Anugerah Pendatang Baru dalam Anugerah Filem Hochi ke-37 (Hochi Film Awards) yang berprestij, menjadi artis Korea pertama untuk dicalonkan dalam kategori tersebut. Pada 21 Januari 2013, Changmin diumumkan telah memenangi Anugerah Pendatang Baru dalam Anugerah Akademi Jepun ke-36 (36th Japanese Academy Award).[14]

Pada tahun 2013, Changmin menjadi pengacara bersama dengan Kang Ho-dong dalam rancangan hiburan terbitan KBS bertajuk Moonlight Prince. Ini merupakan pengalaman pertama beliau sebagai pengacara. Apabila rancangan ini berakhir dalam bulan Mac, beliau menyertai rancangan hiburan sukan Cool Kiz On The Block sebagai ahli tetap dan meninggalkan rancangan tersebut pada 2014.[15]

Pada tahun 2014, Changmin membintangi mini drama empat episod terbitan Mnet berjudul Mimi. Kemudian beliau membintangi drama fantasi sejarah Scholar Who Walks The Night sebagai Putera Mahkota Lee Yoon.[16]