2009年，金武烈主演家庭爱情剧《妻子回来了》，饰演男配角韩江秀；同年，出演首部电影《人类灭亡报告书》。2011年，出演战争动作电影《最终兵器:弓》。
2012年4月，金武烈与朴海日、金高银合作主演爱情伦理片《银娇》，在片中饰演文坛新秀徐志友；同年，主演喜剧动作片《小混混们的战争》，担任男一号；10月，金武烈正式入伍服役，暂退娱乐圈。
2014年7月8日，金武烈正式退伍，复出后主演纪实类战争片《延坪海战》。2015年6月，金武烈搭档李诗英共同主演OCN爱情悬疑剧《我的美丽新娘》，在剧中饰演因寻找突然消失的未婚妻而卷入黑暗势力的银行科长金度恒。
2016年5月，金武烈与朴熙顺、李璟荣合作主演的犯罪片《韩国制造》，在片中饰演为了凑齐妈妈的手术费而很迫切的大龄无业青年敏在。2017年11月，金武烈搭档姜河那共同主演惊悚悬疑片《记忆之夜》，在片中饰演被人绑架后而失去记忆的哥哥侑锡。2019年5月，金武烈与马东锡合作主演犯罪动作片《恶人传》，在片中饰演与黑帮头目联手追查案件的重案组刑警郑泰锡。
2020年，金武烈与罗美兰合作主演喜剧片《正直的候选人》，在片中饰演国会议员朱尚淑的幕僚朴熙哲；6月，与宋智孝合作主演悬疑惊悚片《侵入者》，在片中饰演追查妹妹隐藏秘密的哥哥书振。
2022年2月，金武烈与金惠秀、李星民合作主演Netflix出品的青少年题材犯罪剧《少年法庭》，在剧中饰演个性温柔、凡事以情份优先的年轻法官车泰柱；同月，主演电视剧《Grid》；9月，二度与罗美兰合作主演喜剧片《正直的候选人2》，在片中饰演竞选道知事的朱尚淑的幕僚朴熙哲。12月19日，主演的电视剧《Trolley：命运交叉点》播出。
2023年3月1日，主演的电影《对外秘密：权力的诞生》将在韩国上映。10月6日，参演的电影《芭蕾复仇曲》在韩国上映。12月1日，主演的电视剧《甜蜜家园2 》播出。
2024年4月24日，参演电影《犯罪都市4》在韩国上映。
