电视剧《奋斗》、《我们无处安放的青春》和《与青春有关的日子》而走红。2006年，李玉的《苹果》中作为主演的佟大为，被提名第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，并角逐最佳男演员奖。2008年，参与吴宇森的《赤壁》。2012年，参演张艺谋作品《金陵十三钗》入围第69届金球奖最佳外语片，佟大为是踏上金球奖红毯的首位华语男演员。2013年，参与陈可辛导演电影《中国合伙人》，饰演片中三位男主角之一，性格中庸的王阳，并获得第32届大众电影百花奖最佳男配角