Четвёртый студийный альбом группы, релиз которого состоялся 14 сентября 2010. Альбом был слит в сеть за неделю до официального релиза — 7 сентября. Название альбома связано с атомной бомбой и концом света. Как и предыдущий альбом, новые треки были встречены неоднозначно, ввиду изменения звучания группы.
За первую неделю продаж альбом разошёлся тиражом 523 тысяч экземпляров и возглавил Global Album Chart и Billboard Top 200, также пластинка, помимо США, возглавила альбомные чарты в 15 странах, в Великобритании альбом стал вторым. К концу 2010 года продажи A Thousand Suns в мире достигли 1 700 000 экземпляров, в дальнейшем альбом признан самым продаваемым рок-альбомом года в США и самым успешным интернациональным альбомом в Японии, в Германии группа получила награду Echo в номинации Gruppe Rock/Alternative international. Альбом также стал золотым по итогам продаж лицензионных CD в России за 2010 год, что значит, что число проданных экземпляров достигло 5 тысяч.
Первый сингл «The Catalyst» вышел 2 августа, отрывок трека был представлен группой в трейлере видеоигры «Medal of Honor», который срежиссировал Джо Хан, премьера полного сингла произошла на BBC Radio 1. 26 августа группа презентовала видеоклип «The Catalyst» на сайте mtv.com, режиссёром также стал Джо Хан. Видео вошло в десятку лучших видеоклипов по версии MTV Best Of 2010 — Top 10 Most Watched Videos.
Через месяц после релиза дебютного сингла состоялась премьера промопесни из A Thousand Suns — «Wretches and Kings», и в этот же день на официальном канале Linkin Park на YouTube был выложен новый эпизод LPTV под названием «Megaphone Brad», в котором показано, как Майк Шинода и Брэд Дэлсон работали над песней «When They Come for Me», и в нём можно услышать несколько отрывков из этой песни.
3 сентября Warner Music Group DE в своем официальном профиле на аудиохостинге SoundCloud разместили 28-секундный отрывок из следующего сингла Linkin Park под названием «Waiting for the End». 7 сентября полную версию этой песни группа представила на MySpace, полноценный релиз произошёл 1 октября 2010 года. Сингл позволил группе в десятый раз возглавить чарт Alternative Songs, также трек стал одним из самых проигрываемых синглов группы на радио. Видеоклип был номинирован на MTV Video Music Awards в категории «Лучшие спецэффекты».
22 февраля состоялась премьера видеоклипа на третий сингл с альбома «Burning in the Skies», полноценный сингл вышел 21 марта 2011 года.
27 мая 2011 года состоялся релиз последнего сингла с A Thousand Suns — «Iridescent», трек является заглавным саундтреком фильма «Трансформеры 3: Тёмная сторона Луны», однако несколько отличается от альбомной версии.
