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。

2007年，发行个人音乐专辑《大世界小作为》。

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。

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”。

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。

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，演唱开场歌曲《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2月，在剧集《回旋世界》中担任总制片人；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，参加2019年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；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；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；7月1日，参演的电影《1921》上映，在剧中饰演张静江；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，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。

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；3月8日，与迪丽热巴主演的检察剧《公诉精英》开机；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；8月29日，主演的悬疑剧《消失的孩子》播出，在剧中饰演杨远。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。

2023年9月28日，主演的电视剧《好运家》正式开机。12月，参加《也许你要恋爱了》。

2024年1月9日，主演的电视剧《夜色正浓》开机。4月19日，参演的电影《抗战中的文艺》播出。6月8日，主演的电视剧《玫瑰的故事》播出。7月11日，参演的人性悬疑剧《错位》播出，在剧中饰演顾己鸣。9月25日，参与第五届庐山国际爱情电影周，并与关悦一同担任形象大使。

2007年8月20日，佟大为与女艺人关悦领取结婚证。2008年4月18日，在北京万达广场索菲特大酒店举行婚礼，刘仪伟担当司仪，赵宝刚担任证婚人；同年女儿出生。

2016年5月4日，佟大为喜获第三子。

2010年4月25日，佟大为受邀出席“芭莎明星慈善夜”。

2011年3月28日，由中国扶贫基金会、红杉资本中国基金以及东方风行集团联合主办的“一路有你”主题慈善晚会在北京举行，佟大为、关悦夫妇受邀出席。佟大为关悦夫妇通过自己的微薄之力缓解灾区孩子喝不上水的问题，并于27日向中国红十字会捐款15万元用于“送水”活动。

2011年11月27日，“美丽童行2011主题慈善晚宴”在北京举行，佟大为获得“勇气使者”奖，著名导演高希希为其颁奖。

2012年，佟大为关悦夫妇倡导发起“光明与梦想”公益项目，“光明与梦想”项目是在中国西藏红十字基金会的支持和管理下设立的专项公益捐助项目，用以帮助西藏地区白内障患者重见光明。

2013年，成都志愿者全媒体平台启动“成都大爱·孩子别怕 ”志愿服务专项资金。该项目得到著名演员黄晓明、佟大为等名人的关注和加入，帮扶资金已经达285740.2元。佟大为定向捐助黄思怡10万元爱心资金，这笔资金正式由成都志愿者全媒体平台捐给黄思怡及其父母；担任巴黎世乒赛国家队形象大使。

2015年12月23日，作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。

2016年3月22日，博鳌亚洲论坛2016年年会“青年领袖圆桌”举行，佟大为以佟悦名新文化传媒创始人、上海佟悦投资管理中心创始人的身份出席活动；11月23日，联合国妇女署为佟大为颁发“联合国妇女署亲善大使”证书。

2017年4月，出席湖南卫视2017书香中国全民阅读季启动式。

2018年1月31日，《中国慈善家》揭晓了“2017中国慈善名人榜”，佟大为关悦夫妇排名第15。10月17日，参加电影频道节目中心主办的大型公益项目“脱贫攻坚战——星光行动”启动仪式。

2021年7月，佟大为关悦夫妇为河南暴雨灾情捐款100万元。

2024年6月28日，佟大为受邀出席白玉兰颁奖礼。

2005年，石雪涉嫌重大金融犯罪一案正式审理，引起了广泛关注。石雪在中国证券业曾是知名人物，担任过南北两大金融机构要职。佟大为部分影视剧的投资被指与石雪有关联，并且石雪还曾向佟大为赠送豪车。这一事件引发了舆论的负面猜测，人们纷纷质疑佟大为与石雪之间关系的纯粹性。在公众的审视下，佟大为的演艺事业不可避免地受到了一定程度的影响。

佟大为的演出让我很震惊，是一个不可多得的好演员。不但外形俊朗，在演出内心戏的时候也十分出彩，是个可塑性很高的演员（孙健君评）；佟大为敬业，谦虚好思考，而且懂得如何去诠释角色，如何给角色注入更多更有活力的东西；他的表演非常的松弛，不用劲儿（陈可辛评）；他是一个好的演员，不去想其它东西，认真、专注、努力，佟大为身上有知性的东西，但实际上他还有另外一种潜能，一种刚毅的东西，也会被开发出来（张艺谋评）；通过《金陵十三钗》，佟大为实现了从一个奶油小生到一名硬汉的转变（新浪娱乐评）。

佟大为在《太平轮》中的表演是所有演员中最充实丰满的，他为观众塑造了一个从悲惨经历中收获成熟与思想的角色。（美国影评人Maggie Lee 评）

佟大为讲话很慢，仿佛无论有多急的事儿，他都有自己的节奏，这在浮躁、庸碌的小时代里似乎有点不寻常，他的人生哲学就如他钟情的太极一样，平和、柔顺、缓慢，不想、也不屑于捷径，宠辱不惊，安之若素，佟大为正是这样的人。（电影新闻 评）