Loreen 2011-ben tért vissza a közönség elé, amikor elindult az Eurovíziós Dalfesztivál svéd nemzeti döntőjén a My Heart Is Refusing Me című dalával, amit Moh Denebivel és Björn Djupströmmel szerzett. Az énekesnő ekkor vette fel a Loreen művésznevet. A dalt először a Göteborgban rendezett második elődöntőben adta elő, ahol az a negyedik helyén végzett, így továbbjutott a verseny második esély fordulójába, ahonnan viszont már nem sikerült kvalifikálnia magát a döntőbe. A kiesés után a dal március 11-én jelent meg hivatalosan is Svédországban, és a svéd kislemezlista kilencedik helyén debütált.

 

Egy évvel később, 2012-ben ismét elindult az eurovíziós dalválasztó műsorban a Euphoria című dalával, melyet Thomas G:son és Peter Boström szerzett. A dal a växjö-i első elődöntőből az első helyen jutott tovább a március 10-én rendezett, stockholmi döntőbe, ahol az énekesnő összesen 268 ponttal megnyerte a versenyt és így ő képviselhette Svédországot a 2012-es Eurovíziós Dalfesztiválon Azerbajdzsán fővárosában, Bakuban. Az Eurovíziós Dalfesztiválon a dalt először a második elődöntőben adták elő, ahonnan az első helyen jutott a május 26-i döntőbe. A döntőben az énekesnő fellépési sorrendben a tizenhetedikként állt színpadra. A Euphoria című dal végül megnyerte a dalfesztivált összesen 372 ponttal, ami – a norvég Alexander Rybak Fairytale című 2009-es dala után – a második legmagasabb pontszám amivel egy dal nyerni tudott a verseny történetében. 18 országtól a maximális tizenkét pontot kapta, amivel megdöntötte az addigi rekordot. A dalt a fogadóirodák a verseny előtt a legesélyesebbnek tartották a végső győzelemre – és mint ez később beigazolódott, nem ok nélkül. Svédország ötödik győzelmét aratta, valamint a 2013-as Eurovíziós Dalfesztivál rendezési jogát is elnyerte.

 

2012. június 3-án a Euphoria a harmadik helyen debütált a brit kislemezlistán, ez volt a legmagasabb pozíció amit egy nem brit eurovíziós dal el tudott érni a listán Johnny Logan 1987-es Hold Me Now című dala óta. A kislemezt az Egyesült Királyságban a megjelenés hetén 62 148-an töltötték le. Az énekesnő első albumának címét 2012 augusztusában jelentették be. A Heal című lemez október 24-én jelent meg, és a megjelenés utáni héten már dupla platina minősítést kapott Svédországban. Az album promóciós körútja keretin belül Loreen több európai TV műsorban fellépett: a lengyel Must Be the Music című tehetségkutatóban október 21-én, a román X Factorban november 18-án és a holland The Voice harmadik évadjának döntőjében december 14-én.

 

2013. március 12-én a Melodifestivalen döntőjében egy új formában adta elő a 2012-es győztes dalát gyerekkel és jelnyelvi kísérettel. A produkciót később a 2013-as Eurovíziós Dalfesztivál első elődöntő nyitányaként is előadták. Emellett az énekesnő a dalfesztivál döntőjében előadta a We Got the Power, a My Heart Is Refusing Me és a Euphoria című dalait.

 

2013-ban és 2014-ben is folytatta turnéját. 2015 márciusában jelent meg második albumának címadó dala, a Paper Light (Higher). A dalt március 7-én a Melodifestivalen második esély fordulójában élőben is előadta. 2015. március 31-én Loreen is fellépett az Eurovíziós Dalfesztivál 60. évfordulójára rendezett Az Eurovíziós Dalfesztivál legnagyobb slágerei című gálaműsor felvételén, Londonban.