6月に打線の補強としてジョシュ・ホワイトセル、トレードではリリーフ陣の補強として渡辺恒樹や山岸穣を獲得。小川体制になってからは野手陣と投手陣共に奮起し、徐々にチーム状況が好転していく。6月に14勝8敗、7月に11勝8敗、8月に10連勝を含む18勝8敗と大きく勝ち越す。8月24日の対横浜ベイスターズ戦で勝率を5割に復帰させ、その後も勝率5割前後を維持しながら3位とのゲーム差を徐々に詰め、最小で3.5ゲームまで3位との差を詰める。しかし、最終的には前半戦の不振が響いた形となり、4位に終わり、CS進出はならなかったが、成績は72勝68敗4分けと2004年以来6年ぶりに勝ち越した。

この年はリーグ優勝した中日に相性が良く、セ・リーグ5球団が苦手としたナゴヤドームでリーグ唯一の勝ち越し（シーズン通算で7勝4敗1分け。小川体制移行後に限れば5勝1敗）、シーズン対戦成績も15勝8敗1分けと唯一勝ち越し、特に小川体制移行後は12勝3敗と圧倒した。高田監督時代に非常に苦手としていた巨人に対しても、後半戦は同一カード3連勝を含む対巨人戦5連勝などもあり、小川体制に代わってからは8勝7敗1分けと勝ち越している。
2011年

東日本大震災の影響により、開幕日が当初の3月25日から4月12日に延期された。開幕直後はウラディミール・バレンティンや畠山和洋などが好調で4月下旬にはセ・リーグの首位に立った。その後も首位をキープし続け、8月には阪神に一時詰め寄られるも、9月に9連勝して阪神の追撃をかわし、対巨人戦は12勝8敗4分と2000年以来11年ぶりに勝ち越した。しかし、バレンティンや畠山ら主軸打者がシーズン終盤から相次いで打撃不振に陥ったことに加え、主力選手の離脱が相次ぎ、最大10ゲーム差をつけていた2位中日との直接対決は9月以降で1勝8敗と大きく負け越し、2位に後退したため、最終的には70勝59敗15分、首位とは2.5ゲーム差で2001年以来10年ぶりのリーグ優勝を逃した。クライマックスシリーズファーストステージで巨人に2勝1敗で勝利、球団史上初のファイナルステージに進出したが、中日に2勝4敗で敗退した。石井弘寿が現役を引退した。バレンティンが本塁打王を獲得。
2012年

1月17日に青木宣親がポスティングシステムでミルウォーキー・ブルワーズに移籍。3月19日には球団事務所が東京都港区の東新橋から明治神宮野球場にほど近い北青山に移転した[22]。3月30日の開幕・巨人戦で球団史上初の開幕戦完封勝ちを記録（対する巨人は球団史上初の開幕戦完封負け）し、4月24日に対中日戦（神宮）に勝利し首位タイとすると[23]、続く26日の同カードでも勝利して単独首位に立つが[24]、交流戦では5月30日に対日本ハム戦（神宮）に敗れて、チーム39年ぶりとなる10連敗を記録するなど[25] 9勝15敗の最下位に終わり巨人・中日の首位争いから後退、前半戦は広島と同ゲーム差の4位となり、後半戦は広島との3位争いとなる。9月29日、対中日戦（神宮）に0対4で敗れたが、この日広島も阪神に敗れたため、3位確定とし2年連続のクライマックスシリーズ出場を決めている[26]。クライマックスシリーズファーストステージでは、中日と対戦。1勝1敗とした第3戦で1対0でリードしていた8回裏にトニ・ブランコに満塁本塁打を打たれて逆転され、1勝2敗で敗退した[27]。福地寿樹[28]、宮出隆自[29]が現役を引退し、林昌勇が退団した[30]。5月4日に宮本慎也が通算2000本安打を達成した。バレンティンが2年連続本塁打王を獲得。オフに元楽天の岩村明憲が7年ぶりに復帰[31]。
2013年

明治神宮球場では31勝32敗1分だったが、5月以降は最下位に低迷し[32]、ビジターでは26勝51敗3分と大きく負け越した[32]。特にバレンティン以外の野手で規定打席到達者が出ないなど、野手陣の不調・故障が響いた。9月23日の対阪神戦（甲子園）に0対2で敗れ、クライマックスシリーズ進出の可能性が消滅し、2010年以来3年ぶりのBクラスが確定し[33]、続く10月1日の対巨人戦（神宮）で1対0で敗れ、2007年以来6年ぶりの最下位が決定した[34]。宮本慎也、藤本敦士が現役を引退した[35][36]。バレンティンが8月に日本プロ野球新記録の月間18本塁打を記録するなど[37]、本塁打を量産、9月15日の対阪神戦（神宮）で日本プロ野球新記録のシーズン56号本塁打とアジア野球新記録の57号本塁打[38]を記録し、この年60本として3年連続本塁打王を獲得。投手では新人の小川泰弘が16勝4敗で最多勝と勝率第1位投手賞の2冠を獲得[39]。