ב-18 במאי 2009 יצא לרדיו הסינגל הראשון של ביבר "One Time" כשבמקביל הוא ממשיך להקליט את אלבום הבכורה שלו. הסינגל הגיע למיקום שיא 12 במצעד הבילבורד הקנדי קנדה הוט 100 כבר בשבוע הראשון ליציאתו, ובהמשך הגיע למיקום שיא 17 במצעד בילבורד הוט 100. בספטמבר 2009 זכה השיר בתואר פלטינה בקנדה ובינואר 2010 השיג את אותו התואר בארצות הברית, ועד לשנת 2015 הוא צבר פופולריות רבה והוכתר כפלטינה מחומשת בארצות הברית. המיני אלבום הראשון של ביבר "My World" יצא ב-17 בנובמבר 2009. הסינגל השני מתוכו "One Less Lonely Girl", כמו גם שני הסינגלים השיווקים "Love Me" ו-"Favorite Girl" פורסמו בבלעדיות בחנות האייטיונס ונכנסו ל-15 המדורגים ביותר במצעד הבילבורד הקנדי ול-40 המדורגים במצעד הבילבורד. מאוחר יותר "One Less Lonely Girl" יצא אף הוא לרדיו וזכה בתואר זהב בקנדה ופלטינה בארצות הברית. על מנת לקדם את האלבום, ביבר הופיע במספר תוכניות אירוח אמריקאיות פופולריות כגון "Good Morning America" והתוכנית של אלן דג'נרס ובסדרה "טרו ג'קסון", ולצד ביקורות חיוביות ברובן ממבקרים "My World" מכר 137,000 עותקים כבר בשבוע הראשון ליציאתו, מה שקידם אותו למקום השישי במצעד האלבומים בילבורד 200. האלבום מכר למעלה משני מיליון עותקים ברחבי העולם והוכתר כאלבום פלטינה בארצות הברית, אוסטריה, גרמניה ונורווגיה וכפלטינה כפולה בקנדה והממלכה המאוחדת. האלבום רשם שיא חסר תקדים כשכל שיריו נכנסו למצעד הבילבורד, ובכך הפך ביבר לאמן היחידי בהיסטוריה שעשה כן.
ב-20 בדצמבר 2009 ביבר נבחר להתארח בספיישל הטלוויזיוני השנתי "Christmas in Washington" שצולם בבית הלבן, במהלכו הופיע עם השיר "Someday at Christmas" בפני נשיא ארצות הברית, ברק אובמה, והגברת הראשונה של ארצות הברית, אשתו מישל אובמה. בנוסף הוא נכלל באותה השנה ברשימת האומנים שהופיעו בספיישל הטלוויזיוני "Dick Clark's New Year's Rockin' Eve" בהנחיית ראיין סיקרסט שמתקיים מדי שנה בערב השנה החדשה.
2010–2011: "My World 2.0" ו"ג'סטין ביבר: הסרט".
ב-18 בינואר 2010, יצא השיר "Baby" כסינגל הראשון מתוך אלבום הבכורה שלו My World 2.0. בשיר השתתף הראפר לודאקריס, שגם היה השותף לכתיבתו יחד עם כריסטופר סטיוארט, דה דרים, כריסטינה מילאן וביבר עצמו. השיר הפך ללהיט בינלאומי ונחל הצלחה מסחרית; הוא הגיע למיקום שיא 5 בבילבורד האמריקאי, למיקום שיא 3 בבילבורד הקנדי ולעשרת המדורגים ביותר במצעדים של 12 מדינות, ביניהן ישראל; הוידאו-קליפ של השיר הוכתר כסרטון הנצפה ביותר ביוטיוב כחמישה חודשים בלבד אחרי יציאתו והחזיק בתואר זה קרוב לשלוש שנים, זאת לצד השיא השלילי של סרטון בעל מספר הדיסלייקים השני הגבוה ביותר ביוטיוב; ולאחר שלוש שנים בלבד הוא זכה בתואר סינגל יהלום בארצות הברית, פלטינה מרובעת באוסטרליה, פלטינה משולשת בנורווגיה, פלטינה בממלכה המאוחדת וניו זילנד ובתואר זהב בשלוש מדינות נוספות. לאלבום יצאו שלושה סינגלים נוספים אשר זכו להצלחה מועטה יותר, בהם הסינגל השני "Somebody to Love", שיצא גם בגרסת רמיקס בהשתתפותו של אשר, ושני הסינגלים השיווקיים "Never Let You Go" ו-"U Smile".
ב-19 במרץ 2010, יצא לאור אלבום הבכורה שלו "My World 2.0", שנחשב לחלק השני של אלבומו הראשון. ביבר התארח בתוכניות אירוח פופולריות כגון "סאטרדיי נייט לייב", ו"המופע של אופרה וינפרי", ואף הופיע בטקס פרסי בחירת הילדים של ניקלודיאון על מנת לקדם את האלבום, שזכה לפופולריות רבה כשהצליח לטפס עד למקום הראשון במצעד בילבורד 200 האמריקאי, ובכך הפך ביבר לזמר הסולו הצעיר ביותר שעשה כן מאז סטיבי וונדר ב-1963. האלבום הגיע למקום הראשון גם במדינות קנדה, אוסטרליה, אירלנד, ברזיל, ניו זילנד וספרד ולעשרת המדורגים ביותר ב-12 מדינות אחרות. האלבום הגיע למעמד פלטינה משולשת בארצות הברית, קנדה, אוסטרליה ומקסיקו, למעמד פלטינה כפולה בניו זילנד ולמעמד פלטינה בשלוש מדינות אחרות, אך את המעמד הגבוה ביותר השיג בברזיל, שם זכה האלבום בתואר אלבום יהלום. My World 2.0, היה מועמד למספר פרסים, כשהחשוב מביניהם הוא בטקס פרסי גראמי ה-53 בקטגוריית אלבום הפופ הטוב ביותר, והוא זכה בפרס המוזיקה האמריקאית לאלבום פופ/רוק אהוב. זאת ועוד, ביבר שבר בעזרתו שיא נוסף בקריירה כאשר היה לאמן הצעיר ביותר שזכה בפרס בטקס פרסי הווידאו-קליפים של MTV כשהוא בן 17 בלבד.
ב-12 בפברואר 2010 ביבר השתתף בציון יום השנה ה-25 להקלטת השיר "We Are the World" כשהקליט אותו בגרסה מחודשת עם למעלה מ-75 אמנים נוספים, ואשר כל הכנסותיו יועדו לשיקום האיטי בעקבות רעידת האדמה שחוותה בתחילת השנה. כחודש לאחר מכן, ולמען אותה המטרה, ביבר נרתם להקלטת השיר "Wavin' Flag" של קיינאן יחד עם מוזיקאים קנדיים נוספים.
ב-23 ביוני 2010, יצא ביבר לסיבוב ההופעות הראשון הרשמי שלו "My world Tour" במסגרתו הוא קידם את שני האלבומים My World, ו-My World 2.0. ב-23 בספטמבר של אותה השנה, שודר הפרק בסדרת המתח המצליחה CSI, בו הופיע בתפקיד אורח, ובהמשך העונה התארח בפרק נוסף. ב-10 באוקטובר הודיע ביבר על הקלטת אלבום אקוסטי בשם My Worlds Acoustic, שיצא ב-26 בנובמבר וכלל גרסה אקוסטית לשירים נבחרים משני האלבומים לצד שיר חדש בשם "Pray". עוד בנובמבר יצא אלבום האוסף הראשון שלו "". ב-11 בפברואר 2011 יצא לאקרנים סרט ההופעה הדוקומנטרי בתלת מימד , אשר גרף הכנסות של כ-12.4 מיליון דולר ביום הראשון ליציאתו. הסרט התעלה על הציפיות ונחל הצלחה קופתית כאשר בסוף השבוע הראשון הכניס למעלה מ-30 מיליון דולר, ובכך כמעט ועקף את הכנסות הסרט "לזרום עם זה" שעמדו על 31 מיליון דולר, וכשסך כל הכנסותיו הסתכמו בקרוב למאה מיליון דולר. שלושה ימים לאחר השקת הסרט פורסם אלבום הרמיקסים "", בו התארחו בין היתר האמנים כריס בראון, אשר, מיילי סיירוס וקניה ווסט. האלבום דורג במקום הראשון בקנדה ובארצות הברית מיד עם כניסתו למצעדים. ליציאת האלבום קדמה יציאת הסינגל היחיד מתוכו "Never Say Never" בהשתתפותו של ג'יידן סמית', בנו של השחקן ויל סמית', אשר נכתב בהשראת הסרט "קראטה קיד", בו שיחק ג'יידן ואף היה לשיר הנושא שלו.
ב-19 באוקטובר 2011 סיבוב ההופעות שלו, במסגרתו הוא אף הגיע להופעה אחת בישראל בפארק הירקון ב-14 באפריל 2011, הגיע לסיומו. ב-1 בנובמבר של אותה השנה הוא פרסם את אלבום האולפן השני שלו Under the Mistletoe, אלבום חג מולד שכלל שירים בהשראת החג. לאלבום שני סינגלים, "Mistletoe" וגרסה מחודשת לשיר "All I Want for Christmas Is You" של הזמרת מריה קארי. האלבום מכר למעלה משני מיליון עותקים ברחבי העולם והגיע למקום הראשון בבילבורד האמריקאי והקנדי ובמדינות יוון ומקסיקו, ודורג בעשרת האלבומים המדורגים ביותר במצעדים של ארבע מדינות נוספות.
2012–2014: "Believe" והופעות אחרות.
ב-1 במרץ 2012 התארח ביבר בתוכניתה של אלן דג'נרס כדי להודיע שתאריך היציאה הרשמי של הסינגל הראשון מתוך אלבומו השלישי, "Boyfriend", הוא ב-26 במרץ. השיר, שנכתב בין היתר על ידי המוזיקאי מייק פוזנר הצליח לטפס עד למקום השני במצעד בילבורד הוט 100 לאחר שמכר כ-521,000 עותקים דיגיטליים, נתון שמיקם את השיר כהשני הגבוה ביותר אי פעם במכירות דיגיטליות בשבוע הראשון ליציאתו. כתב בילבורד ציין כי השיר לא הצליח להגיע למקום הראשון כיוון שההורדה התאפשרה אך ורק דרך אייטונס, דבר שלטענתו "הגביל את אפשרות הרכישה עבור אלה שאינם פוקדים את החנות הקמעונאית של אפל". עם זאת, השיר היה הסינגל הראשון של ביבר שהגיע למקום הראשון במצעד הבילבורד הקנדי. "Boyfriend" הגיע למקום הראשון גם במצעד בלבנון ולעשרת המדורגים ביותר במצעדים של 13 מדינות אחרות, ונכון ל-2016 הוא זכה בתואר פלטינה שלוש פעמים בארצות הברית, קנדה ואוסטרליה, פעמיים בנורווגיה ובתארים פלטינה וזהב בעוד 4 מדינות. הסינגל השני "As Long as You Love Me" פורסם ב-10 ביוני 2012 ועם הזמן צבר פופולריות כשזכה בתארים כסף וזהב ב-4 מדינות, בתואר פלטינה כפולה בקנדה אוסטרליה ונורווגיה ובתואר פלטינה מרובעת בארצות הברית. לאלבום יצאו עוד שני סינגלים, "Beauty and a Beat" ו-"All Around the World" שנחלו הצלחה מועטה יותר, ועוד שיר "Right Here" שיצא כסינגל בארצות הברית בלבד.
אלבום האולפן השלישי של ביבר, Believe יצא לאור ב-19 ביוני 2012 וציין מעבר מוזיקלי כאשר צלילי הטין פופ שאפיינו את אלבומיו הקודמים ננטשו, ובמקומם שולבו אלמנטים של סגנונות הרית'ם אנד בלוז והדאנס פופ. בניסיון לפתח סאונד בוגר יותר, ביבר חבר לטווח רחב של מפיקים אורבנים, ביניהם דיפלו, זד והפזמונאי המוערך מקס מרטין, ובנוסף אירח בשיריו אמנים כמו דרייק וניקי מינאז' הבאים מרקע דומה. האלבום קיבל ביקורות מעורבות ממבקרים, וכתב העת האמריקאי "Entertainment Weekly" היה בין תומכיו הבודדים כשבחר לשבח את האבולוציה המוזיקלית של הזמר והגדיר את האלבום כ"היכרות והמצאה מחודשות". האלבום דורג במקום הראשון במצעד בילבורד 200, ובכך הפך לאלבומו הרביעי שהצליח לעשות כן, והוא נחל הצלחה גדולה במצעדים כשהגיע למקום הראשון ב-15 מדינות, כולל קנדה, ומלבד שתי מדינות הוא נכלל בעשרת המדורגים ביותר בכל 13 המדינות בהן האלבום נכנס למצעדים. "Believe" זכה בתואר פלטינה משולשת בארצות הברית ברזיל ומקסיקו, פלטינה כפולה בקנדה דנמרק ונורווגיה ובתארים פלטינה וזהב ב-8 מדינות אחרות.