1997年，佟大为考入上海戏剧学院表演系。1998年，佟大为首次出演电视剧《嫂娘》，1999年参演《世纪人生》，2000年参演《都是天使惹的祸》，2001年，参演电视《海洋馆的约会》、《少年包青天2》，参演电影《我爱你》、《一百个小偷》。

2003年出演《玉观音》，饰演杨瑞，并凭借《玉观音》获第22届中国电视金鹰奖观众喜爱的电视剧男演员奖，和第五届中国电视艺术“双十佳”奖。

2006年，佟大为出演《奋斗》、《我们无处安放的青春》和《与青春有关的日子》三部热门电视。他在赵宝刚执导的励志爱情电视剧《奋斗》中饰演陆涛一角，凭借《奋斗》夺得首届BTV年度影视盛典“最佳人气”奖，以及亚洲偶像盛典00年代经典角色。同年参演李玉导演的电影《苹果》，凭借电影《苹果》提名第11届釜山国际电影节最佳新演员奖，并于2007年入围第57届柏林国际电影节主竞赛单元，角逐最佳男演员奖。

2008年出演电影《赤壁》，2009年出演《大内密探零零狗》、《婚姻保卫战》。

2011年，出演张艺谋执导的电影《金陵十三钗》，凭借《金陵十三钗》荣获第十二届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖，《金陵十三钗》入围第69届美国电影电视金球奖“最佳外语片”奖，佟大为作为主演之一出席金球奖，被冠以“首位走上金球奖红毯的华人男星”。2012年参演三部电影：盛志明执导的《十二星座离奇事件》、陈可辛执导的《中国合伙人》和孙健君执导的《富春山居图》，凭借《中国合伙人》中的文艺青年王阳一角提名金马奖“最佳男配角”、亚太影展“最佳男配角”奖，以及香港金像奖“最佳男配角”奖。

2013年，在电视剧《门第》中饰何春生，同年拍摄青春纪录片《青春》，以及吴宇森执导的电影《太平轮》，饰演佟大庆。

2014年3月6日，与宋丹丹主演的都市话题喜剧《我的儿子是奇葩》登陆安徽卫视、北京卫视、东方卫视、深圳卫视黄金档全国首播。

2014年7月26日，江苏卫视生活服务类节目《非诚勿扰》新一期录制，演员佟大为接过点评嘉宾的接力棒，与孟非、黄菡组成新的“非诚合伙人”。佟大为加盟录制的《非诚勿扰》节目将会在8月中旬播出。同年参演陈可辛导演的电影《亲爱的》，与赵薇、黄渤合作。于9月25日上映。在这部影片中佟大为饰演的是一个帮助母亲寻回孩子的律师高夏。

2015年2月，担任《最强大脑》节目评审，节目组特意设置的两人Pk明星挑战项目，要求佟大为、徐静蕾在限定时间内观察16幅两人的经典电影剧照，并对变成马赛克的剧照进行抢答，回答出电影相关信息。2月18日，参加2015年中央电视台春节联欢晚会，表演开场节目《四世同堂合家欢》。4月16日，主演的电视剧《想明白了再结婚》在浙江卫视、深圳卫视联合播出。同时与黄晓明、杨幂主演的电影《何以笙箫默》于4月30日上映。5月3日，与赵薇主演的电视剧《虎妈猫爸》于5月3日在东方卫视播出。同时参演的喜剧电影《横冲直撞好莱坞》于6月26日上映。 7月3日，与姚笛合作主演的都市爱情剧《我的宝贝》在江苏卫视播出。7月24日，佟大为参与的首档大型户外竞技类真人秀《真心英雄》在江苏卫视播出。第17届华鼎奖中国电视剧满意度颁奖盛典8月9日在上海世博中心举行，佟大为获得中国百强电视剧最佳男主角。10月8日伤情暖爱都市大剧《如果可以这样爱》开机，佟大为饰演男主角耿墨池。佟大为加盟湖南卫视第四季度原创节目《一年级》大学季。同年友情客串电视剧《爱无痕》。

2016年，主演的犯罪警匪电影《冰河追凶》。主演电视剧《人间至味是清欢》。11月11日，佟大为与陈妍希、吕云骢合作主演的减压喜剧电影《外公芳龄38》全国公映。

2017年10月30日晚，谍战剧《绝密者》正式确认了由佟大为搭档郑爽出演男主角金皓东。

2018年12月29日，与马丽、霍思燕合作主演的喜剧电影《手机狂响》上映。

2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，佟大为与尚大庆、李文启、黄晓娟、杨紫、王自健、孙茜、李闯表演小品《站台》。同年，与蒋欣、徐小飒、柳小海等合作出演主旋律电视剧《奔腾年代》，在剧中饰演常汉卿。10月18日，由浙江卫视制作的原创表演类综艺节目《我就是演员之巅峰对决》曝光首发阵容海报，佟大为担任男嘉宾；10月24日，主演电视剧《奔腾年代》在浙江卫视、东方卫视首播。