1997年，佟大为考入 上海戏剧学院 表演系。1998年，佟大为出演首部电视《 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Ⅱ 》，参演电影《 我爱你 》、《一百个小偷》 ^[20-22] 。

2003年，与 孙俪 、 何润东 合作主演缉毒剧《 玉观音 》，饰演北京人杨瑞，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：在 赵宝刚 执导的励志爱情电视剧《 奋斗 》中饰演有激情、有才华，非常努力的 陆涛 ，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，搭档 范冰冰 主演 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，参演 吴宇森 执导的历史片《 赤壁 》，饰演孙叔才；2010，主演的都市剧《 婚姻保卫战 》在北京卫视首播，饰演室内装饰的设计师郭洋 ^[26-28] 。

2011年，出演 张艺谋 执导的电影《 金陵十三钗 》，饰演枪法高超的狙击手李教官，获得 第12届华语电影传媒大奖 观众票选最受瞩目男演员奖；主演的《 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” ^[29-30] 。

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《 天机·富春山居图 》，凭借《 中国合伙人 》中的文艺青年 王阳 一角提名 台湾电影金马奖 “最佳男配角”、 亚太影展 “最佳男配角”奖，以及 香港电影金像奖 “最佳男配角”奖 ^[31-33] 。

2013年，主演都市感情剧《 门·第 》，饰演生活在社会底层有梦想有激情的乐观穷小子 何春生 ^{；主演 吴宇森 执导的战争片《 太平轮（上） 》，饰演通讯队队长 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 ^{。8月，佟大为加盟录制的《 非诚勿扰 》节目播出 。9月，搭档赵薇、黄渤主演参演陈可辛导演的电影《 亲爱的 》上映，饰演帮助母亲寻回孩子的律师 高夏 。搭档周迅、 钟汉良 主演的电影《我的早更女友》，痴情暖男 袁晓鸥 ，为治愈周迅的情伤，对她无微不至、悉心呵护 。}

2015年2月，担任《 最强大脑第二季 》节目评审 ^{。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，主演的都市生活剧《 想明白了再结婚 》在 浙江卫视 、 深圳卫视 联合播出 ；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，主演都市生活轻喜剧《 虎妈猫爸 》在东方卫视播出，出演处处谦让老婆的暖男丈夫和父亲罗素，凭借该角提名白玉兰奖、亚洲电视大奖最佳男主角奖 ；6月，参演的喜剧电影《 横冲直撞好莱坞 》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，佟大为参与的首档户外竞技类真人秀《 真心英雄 》在江苏卫视播出 。佟大为加盟湖南卫视第四季度原创节目《 一年级·大学季 》 。}

2016年，主演的犯罪警匪电影《 冰河追凶 》 ^{。2018年12月29日，与马丽、 霍思燕 合作主演的喜剧电影《 来电狂响 》上映 。}

2019年2月4日，登 中央广播电视总台春节联欢晚会 ，表演小品《 站台 》 ^{。10月，参加浙江卫视原创表演真人秀《 我就是演员之巅峰对决 》 ；10月24日，主演的年代剧《 奔腾年代 》在浙江卫视、东方卫视首播，饰演留学归国的电力机车工程师常汉卿 。}

2020年9月23日，孙俪在微博晒出与佟大为18年前合作《玉观音》与近期合作《 功勋之孙家栋的天路 》的剧照对比图，并配文感慨：“时间呀，转眼已经18年了，我和大为第一次握手在2002年，我们在拍《玉观音》，这次握手已经到了2020年。这次拍戏我们一直在回忆、感慨、想念我们在拍《玉观音》时的那段时光。那时我们还青春，现在我们两个都是孩子的爹妈了。” ^{11月6日，与 佟丽娅 领衔主演的都市情感剧《 爱的厘米 》首次发布海报 。}

2021年2月11日，参加《 2021年中央广播电视总台春节联欢晚会 》，与 李文启 、 黄晓娟 、 尚大庆 、 王丽坤 、 秦昊 、 王砚辉 、 王圣迪 、 孙茜 、 娄艺潇 一同表演小品《 阳台 》； ^{3月20日，主演的电视剧《 我们的新时代 》 开机 [121] ；4月11日，与 宋佳 主演的生活剧《 小舍得 》在东方卫视、央视八套上星开播，饰演夏君山 [122] ；6月16日，主演电视剧《 我们的新时代 》在北京卫视、东方卫视首播，并在腾讯视频、爱奇艺、优酷同步播出 [139] ；7月1日，参演的电影《 1921 》上映，在剧中饰演 张静江 [126-127] ；9月26日，主演的现实题材电视剧《 功勋 》在北京卫视，东方卫视、浙江卫视、江苏卫视播出 [135] ，搭档孙俪、 刘奕君 等主演单元剧《孙家栋的天路》，饰演航天专家孙家栋 [136] 。}

2022年2月23日，搭档 白百何 领衔主演的都市情感剧《 我们的婚姻 》播出 ^[140] ；3月8日，与 迪丽热巴 主演的检察剧《 公诉精英 》开机 ^[141] ；6月23日，领衔主演的都市医疗急救题材剧《 奔跑吧，急救医生 》开机 ^[143] ；8月29日，主演的悬疑剧《 消失的孩子 》播出，在剧中饰演 杨远 ^[146] 。11月18日晚8点，首部文献话剧《 抗战中的文艺 》将在网络全平台进行付费演播。 ^[148]