Yelchin protagonizó Alpha Dog, un thriller estrenado el 12 de enero de 2007. En la película interpretó a Zack Mazursky, un personaje basado en la víctima de secuestro y asesinato de la vida real Nicholas Markowitz. La crítica de USA Today describió la actuación como «desgarradoramente entrañable». Después del estreno, la madre de Markowitz felicitó su interpretación de su hijo. Yelchin posteriormente encabezó Fierce People, un drama que recibió un lanzamiento limitado el 7 de septiembre de ese año y fue coprotagonizada por Diane Lane, Donald Sutherland y Chris Evans. En 2008 Yelchin interpretó el papel principal en Charlie Bartlett, una película sobre un adolescente rico en una escuela secundaria pública. Ese mismo año, Yelchin apareció junto al dúo ruso t.A.T.u. en la película You and I (que fue filmado en Moscú durante el verano de 2007), y coprotagonizó junto a Susan Sarandon y Justin Chatwin en Middle of Nowhere. Luego actuó en dos películas de 2009: la undécima película de Star Trek, en la que interpretó al navegante de 17 años Pavel Chekov, y Terminator Salvation, en la que interpretó el papel de un adolescente Kyle Reese.