第一段婚姻结束后，王学兵与范冰冰开始传出绯闻，甚至有传闻称王学兵和妻子离婚就是因为范冰冰。
2003年11月，王学兵与范冰冰首度合作《福星高照猪八戒》。2004年4月，两人在《壮志凌云包青天》中再度合作，饰演情侣，传出“戏假情真”。两人的绯闻传足三年，当时两人非常甜蜜，还传言两人已互相见过家长并且已经同居。还被媒体拍到他们之间的亲密举动，浪漫往事，两人曾经一同在海南游泳、青岛骑马、共进晚餐、一起观球、以及同游日本。
2004年9月，范冰冰在新疆与王学兵及家人共赴家宴。2005年2月17日，王学兵与范冰冰被拍到在海南三亚一酒店的室外游泳池“鸳鸯戏水”。
2005年10月15日下午2时许，范冰冰在青岛金沙滩拍摄她的首张专辑MV，王学兵贴心陪伴左右。二人关系亲密，并不回避现场其他人。每当一段镜头拍完，范冰冰就会以最快的速度回到王学兵身边，甜蜜说笑举止亲昵，甚至贴面耳语，全然就是热恋中的情人姿态。
2005年12月30日，王学兵和范冰冰一起在东环广场“鼎鼎香火锅”吃饭，整个进餐过程两人情绪一直相当高涨，当被询问两人是否恋爱关系时，仍未得到正面承认，只是称“我们谈不谈恋爱关你什么事，两个朋友出来吃顿饭不行啊？”
2006年2月3日晚，记者目击到范冰冰挽着王学兵在涩谷街头出现，两人先是拿着地图研究，决定好目的地后王学兵一副非常熟悉的样子，拉起范冰冰的手带路。怎知两人越走越糊涂，一会儿就迷了路，王学兵一下子慌了神，表情慌张地拿起地图猛翻。旁边的范冰冰脸色慢慢沉了下来，最后索性命令他寻求路人协助，而王学兵硬着头皮询问路人，折腾了老半天，最后才知道一开始就走错了路，气得范冰冰当场翻脸，王学兵则猛赔不是。
后来两人分手，但是绯闻一直没有停息。2007年11月，知情人士透露，王学兵主演《命运呼叫转移》，是由范冰冰推荐的，拍摄过程中，两人不但举止亲密，还经常离队单独吃饭，大有假戏真做重燃爱火之势。该消息人士称，进《命运呼叫转移》剧组后不久，王学兵和当时女友迅速分手，这些信息，似乎都可以理解为情变。流传多年的“冰兵恋”传闻，随着当事人在《命运呼叫转移》里扮演一对生死相依的情侣，而再次成为各方关注焦点。
直到范冰冰有一次再被问及与王学兵的恋情时，范冰冰终于爆出王学兵已经有了新的女友还是圈内人。据知，王学兵是范冰冰唯一公开承认过的男友，而且两人分手后范冰冰还说过，如果他(王学兵)在今后有任何的状况出现，我肯定是第一个伸手帮他的人。两人之间的恋情让人非常感慨。
分手后，王学兵也曾坦言范冰冰太漂亮让他没有安全感。据说分手是因为王学兵想要找个贤妻良母型的女人结婚，但是两人多年的绯闻注定王学兵范冰冰的名字会一直连在一起了。
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