2014年3月12日に、前作から3年3か月ぶりとなるオリジナル・アルバム『RAY』をリリース。同日、収録曲「ray」の別バージョンとして、バンド史上初のフィーチャリング・アーティストとして初音ミクを迎え、配信限定リリース。3月20日、公式サイトにて藤原が肺気胸で入院していたことが判明[17]。同月31日に予定されていた新木場での単独ライブは7月15日に延期となることが発表された[17]。藤原の病状が心配されたが、4月5日にアリーナツアー「WILLPOLIS 2014」がスタート。6月28日には台湾公演、7月31日にはツアーファイナルとして東京ドーム公演が行われた。また、ドーム公演の最後に披露された新曲は、明けて8月1日深夜零時より配信限定シングル「You were here」としてリリースされた。前後して7月25日に『ミュージックステーション』（テレビ朝日）に初出演。地上波の生放送で初めて楽曲を披露した[18]。

この一連のツアーの模様、特に東京ドーム公演までの軌跡が、同年10月にNHKのドキュメンタリー番組として取り上げられた。また、2015年2月4日に発売されるライブ&ドキュメンタリー映像作品『BUMP OF CHICKEN WILLPOLIS 2014』に先駆け、2014年12月5日から2週間限定で、バンド史上初めてのドキュメンタリー映画となる『BUMP OF CHICKEN "WILLPOLIS 2014" 劇場版』を劇場公開[19]。この映画の前売り券販売は、初日2日間の売り上げが近年公開された全ての東宝系映画でナンバーワンとなった[20]。
2014年 - 2016年:『Butterflies』

2014年11月28日に、漫画『3月のライオン』とのコラボレーション楽曲として書き下ろされた配信限定シングル「ファイター」がリリース。同日、白泉社から発売される『3月のライオン』10巻の特装版にも「ファイター」のCDがセットされる[21]。また、翌11月29日には、映画『寄生獣』主題歌として書き下ろされた新曲「パレード」が配信限定シングルとしてリリースされた[22]。

2015年4月22日には前作から約2年7か月ぶりとなる両A面シングル「Hello,world!/コロニー」をリリース。累計20万枚のヒットとなる。また、シングルリリース記念として、7月30日にインテックス大阪、8月4日に横浜アリーナでスペシャルライブを開催。会場のキャパに対して多数のチケット購入申し込みが寄せられたため、横浜公演の模様は全国の映画館にてライブビューイングが実施され、約4万7000人を動員した[23]（ライブビューイングはバンド史上初である）。12月31日、『第66回NHK紅白歌合戦』に初出場。「COUNTDOWN JAPAN 15/16」のライブ会場から生中継で出演し、「ray」を披露した。

2016年2月10日に、前作から1年11か月ぶりとなるスタジオ・アルバム『Butterflies』をリリース。自身通算6作目となるオリコン週間アルバムチャート1位と初の月間アルバムチャート首位を獲得した。発売翌日には結成20周年記念Special Live『20』を地元である千葉・幕張メッセ国際展示場9?11ホールで開催。2万5000人を動員した。この模様は2016年7月13日にリリースされたライブDVD/Blu-ray『BUMP OF CHICKEN 結成20周年記念 Special Live 「20」』にまとめられた。同年4月からはバンド初のスタジアムツアー「BUMP OF CHICKEN STADIUM TOUR 2016 "BFLY"」を開催。全6公演、計28万人を動員する自身最大級のツアーとなった。また最終公演となった横浜国際総合競技場（日産スタジアム）公演は2日間で14万人を動員した。この公演は映像化され、「BUMP OF CHICKEN STADIUM TOUR 2016 "BFLY" NISSAN STADIUM 2016/7/16,17」として同年12月21日にリリース[24]。

前後してNHKの音楽番組『SONGS』に前年12月、同年2月と連続出演。これに対し数百通に渡る再放送のリクエストが殺到。同年5月には異例の「完全版」として再編集したものが放送された[25]。同年2月28日、「SPACE SHOWER MUSIC AWARDS」で「PEOPLE'S CHOICE（一般投票によって決定し授与される優秀アーティスト賞）」を受賞[26]。6月17日、カルピスウォーターのTVCMでオンエアされていた『Butterflies』収録曲「宝石になった日」のMVが公開された[27]。
2016年 - 2019年:『aurora arc』

2016年7月、新曲「アリア」をTBS日曜劇場『仰げば尊し』の主題歌として提供[28]、8月17日に配信限定リリース。2016年9月には、テレビアニメ『3月のライオン』のオープニングテーマに新曲「アンサー」、エンディングテーマに「ファイター」を提供[29]、「アンサー」を12月21日に配信限定リリースした。また、翌2017年4月からテレビアニメ『GRANBLUE FANTASY The Animation』に『Butterflies』収録曲「GO」をオープニングテーマとして提供[30]、同曲を使用したCM「グランブルーファンタジー」のオンエアも前月よりスタートした[31]。

2017年1月28日、新曲「流れ星の正体」の弾き語りデモ音源を30日深夜までホームページ上で無料公開[32]。また、バンド結成20周年の最終日となる2月10日にはアニバーサリーイヤーのうち最後の期間に制作された「リボン」を披露するスタジオライブ生配信（YouTube公式チャンネル、AbemaTV、スペシャアプリで配信）を行った。「リボン」は5月1日にデジタルシングルとしてリリースされ、同日にミュージックビデオも公開された。また、同日バンドの公式Twitter[33]と公式Instagram [34]が開設された。7月5日には、6月19日より放映されていた日清食品「カップヌードル」CMソング[35]「記念撮影」をデジタルシングルとしてリリース[36]。

2017年9月16日から翌2018年2月11日にかけて、全国ツアー「BUMP OF CHICKEN TOUR 2017-2018 PATHFINDER」を開催した[37][38]。直前にアルバムリリースが行われないツアーであったが、実質的な「COSMONAUT」リリースツアーとなった「GOOD GLIDER TOUR」「GOLD GLIDER TOUR」（2011年?2012年）を除けば、2006年の「run rabbit run」以来約11年半ぶりの「引っ提げないツアー」となった。追加公演および再追加公演を含めて全29公演を開催した[39]。このうち2018年1月27日・1月28日に開催予定だったマリンメッセ福岡公演が、藤原のインフルエンザ罹患のため開催見合わせ（延期）となった[40][41]（なお、振替公演は同会場で3月17日・3月18日に開催された[42]）。ツアーファイナルのさいたまスーパーアリーナ公演（2018年2月10日・2月11日）では、同ツアーのスタジオコースト公演（2017年11月）の模様を収録したDVDおよびBlu-ray『BUMP OF CHICKEN PATHFINDER LIVE AT STUDIO COAST』が同会場限定で販売された（CDショップなどでは販売されず、のちにバンド公式サイトにて通信販売が行われたほか、福岡振替公演でも販売された）[43]。8月8日にはさいたまスーパーアリーナ公演の2日目の模様を完全収録した『BUMP OF CHICKEN TOUR 2017-2018 PATHFINDER SAITAMA SUPER ARENA』が発売された[44]。