En el 2008, Chester, anunció en una entrevista para MTV que el cuarto álbum de estudio sería un «álbum conceptual».132
La banda volvió a los estudios de grabación en el año 2009, a partir de
entonces y como prueba de ello comenzaron a publicar de manera
frecuente información a modo de acertijo de una forma no muy clara en
los cuales revelaba algo sobre el nuevo álbum de la banda.133 Shinoda dijo a a la revista IGN que el nuevo álbum sería de un «género que revienta», también mencionó que el álbum sería más experimental y de vanguardia.134 El 7 de julio de 2009, Chester confirmó que Rick Rubin, regresaría como productor en el nuevo álbum.135
En el Festival MTV Ululame, MTV entrevistó a Chester y comentó que el
nuevo disco de Linkin Park posiblemente estaría en el mercado para junio
de 2010.136
A Thousand Suns fue confirmado el 8 de julio, se anunció que
saldría el 14 de septiembre de 2010 en Estados Unidos en la página
oficial de la banda, cuyo primer single fue «The Catalyst» el cual fue
lanzado oficialmente al mercado el 2 de agosto del mismo año.137 En julio de 2010, el editor de videojuegos Electronic Arts anunció que este sencillo formaría parte de la banda sonora del juego Medal of Honor.138 139 Al ya estar disponible en el mercado A Thousand suns a una semana de su lanzamiento el álbum encabezó los gráficos en varios países incluyendo el Billboard 200 con más de 241.000 copias vendidas en su primera semana.140 141 142 143 El álbum debutó en el número 2 en Reino Unido habiendo vendido 46.711 copias siendo superado por el álbum Science & Faith de la banda The Script.144
Para la promoción del disco la banda inició una gira de conciertos, que comenzó en Los Ángeles el 7 de septiembre.145 146 El 5 de octubre de 2010 fue publicado en iTunes el segundo sencillo, «Waiting for the end».147 Además un documental llamado A Thousand Suns: the full experience acerca de la publicación del álbum, el cual estuvo disponible en el MySpace de la banda.148
En Francia, el álbum llegó a la cuarta posición, que es sin embargo
inferior a los dos anteriores álbumes. El tercer sencillo del álbum «Burning in the Skies» fue lanzado el 24 de febrero de 2011. El vídeo musical se estrenó en MTV el 21 de marzo de 2011 y fue dirigido por Joe Hahn.149
El 13 de abril de 2011, Shinoda confirmó el sencillo del álbum, «Iridescent». También dijo que habría otra versión ligeramente más corta de la canción, para la banda sonora de la película Transformers: el lado oscuro de la luna.150
El vídeo musical fue también dirigido por Joe Hahn y estrenado el 3 de
junio de 2011 en la página web de MTV y poco más tarde en YouTube, siendo este a su vez el cuarto sencillo del álbum A Thousand Suns.151 152 Linkin Park llegó al número 8 en el Billboard social 50, un lista de los artistas más activos en las principales redes sociales del mundo.153 En los gráficos de fin de año, la banda llegó a número 92 en la lista de Artistas principales, así como A Thousand Suns llegó a número 53 en la lista de fin de Año del Billboard Top 200 albums
y al número 7 en la lista Álbumes de Rock de fin de año 2010, y «The
Catalyst» alcanzó la posición número 40 en la lista Canciones de Rock de
fin de año, todas pertenecientes a la revista Billboard.154 155 156
En 2010, iniciaron su gira A Thousand Suns Tour, iniciando conciertos por primera vez Sudamérica, donde visitaron Argentina y Chile el 7 y 9 de octubre respectivamente.157 También estuvieron el 11 de octubre en Brasil, donde tocaron por única vez en 2004, durante la gira de Meteora.158 igualmente realizaron actuaciones por Europa, Asia, Oceanía. En 2011 el grupo fue nominado en seis categorías en los premios Billboard,
que fueron: Top Dúo/grupo, Álbum de Rock, Artista Rock, Artista
Alternativo, Canción Alternativa por «Waiting for the end» y Álbum
Alternativo, pero no ganó ningún premio.159