W 2005 roku w filmie Jabłka Adama (Adams æbler) Mikkelsen wcielił się w postać Ivana, „nieortodoksyjnego wiejskiego pastora”, który rzuca wyzwanie neonaziście (Ulrich Thomsen) skazanemu na prace społeczne, każąc mu upiec szarlotkę.
Przełomem w karierze i jego najdłużej graną rolą była postać wrażliwego policjanta w duńskim serialu Nielsa Ardena Opleva Wydział śledczy (Rejseholdet, 2000–03), za którą w 2002 roku otrzymał nagrodę dla najlepszego aktora od TvFestival.dk. Serial liczył 32 odcinki emitowane na przestrzeni czterech lat. Międzynarodowy rozgłos przyniósł mu występ w roli Tristana w filmie przygodowym Król Artur (King Arthur, 2004), z udziałem Clive’a Owena, Keiry Knightley, Tila Schweigera, Ioana Gruffudda i Hugh Dancy, który mimo negatywnych recenzji okazał się sukcesem komercyjnym.
2006–2010 mały|287x287px|Mikkelsen na MFF w Wenecji (2009) W 2006 roku Mikkelsen wystąpił u boku Stine Stengade i Jany Plodkovej w nagradzanym filmie Ole Christiana Madsena Praga (Prag). Rola Christoffera przyniosła mu nagrodę Zulu dla najlepszego aktora oraz nominacje do nagród Bodil i Robert. Eddie Cockrell z Variety zwrócił uwagę na jego „nieprzeniknione oblicze” w tym „wybitnym” występie.