アイドル的人気が過熱する一方、小池徹平さんは本格派俳優へのステップを着実に駆け上がっていきました。
その転換点となったのが、2006年からスタートしたフジテレビ系医療ドラマの金字塔『医龍-Team Medical Dragon-』シリーズです。小池さんが演じたのは、天才心臓外科医・朝田龍太郎（坂口憲二さん）の背中を追い、葛藤しながら成長していく若き心臓外科医・伊集院登役でした。未熟な研修医が過酷な医療現場で挫折と苦悩を乗り越え、一人前の執刀医へと覚醒していく熱演は、多くの視聴者と評論家から高い評価を受けました。
さらに2008年には、ドラマ『シバトラ〜童顔刑事・柴田竹虎〜』で連続ドラマ初単独主演を飾ります。原作漫画の「圧倒的な童顔で少年犯罪に立ち向かう熱血刑事」という設定は、当時22歳だった小池徹平さんにまさにうってつけのハマり役となり、持ち前の若々しさと骨太なアクション演技が見事に融合した代表作となりました。
