1997年，佟大為考入上海戲劇學院表演系。1998年，佟大為首次出演電視劇《嫂娘》，1999年參演《世紀人生》，2000年參演《都是天使惹的禍》，2001年，參演電視《海洋館的約會》、《少年包青天2》，參演電影《我愛你》、《一百個小偷》。
2003年出演《玉觀音》，飾演楊瑞，并憑借《玉觀音》獲第22屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的電視劇男演員獎，和第五屆中國電視藝術“雙十佳”獎。
2006年，佟大為出演《奮斗》、《我們無處安放的青春》和《與青春有關的日子》三部熱門電視。他在趙寶剛執導的勵志愛情電視劇《奮斗》中飾演陸濤一角，憑借《奮斗》奪得首屆BTV年度影視盛典“最佳人氣”獎，以及亞洲偶像盛典00年代經典角色。同年參演李玉導演的電影《蘋果》，憑借電影《蘋果》提名第11屆釜山國際電影節最佳新演員獎，并于2007年入圍第57屆柏林國際電影節主競賽單元，角逐最佳男演員獎。
2008年出演電影《赤壁》，2009年出演《大內密探零零狗》、《婚姻保衛戰》。
2011年，出演張藝謀執導的電影《金陵十三釵》，憑借《金陵十三釵》榮獲第十二屆華語電影傳媒大獎觀眾票選最受矚目男演員獎，《金陵十三釵》入圍第69屆美國電影電視金球獎“最佳外語片”獎，佟大為作為主演之一出席金球獎，被冠以“首位走上金球獎紅毯的華人男星”。2012年參演三部電影：盛志明執導的《十二星座離奇事件》、陳可辛執導的《中國合伙人》和孫健君執導的《富春山居圖》，憑借《中國合伙人》中的文藝青年王陽一角提名金馬獎“最佳男配角”、亞太影展“最佳男配角”獎，以及香港金像獎“最佳男配角”獎。
2013年，在電視劇《門第》中飾何春生，同年拍攝青春紀錄片《青春》，以及吳宇森執導的電影《太平輪》，飾演佟大慶。
2014年3月6日，與宋丹丹主演的都市話題喜劇《我的兒子是奇葩》登陸安徽衛視、北京衛視、東方衛視、深圳衛視黃金檔全國首播。
2014年7月26日，江蘇衛視生活服務類節目《非誠勿擾》新一期錄制，演員佟大為接過點評嘉賓的接力棒，與孟非、黃菡組成新的“非誠合伙人”。佟大為加盟錄制的《非誠勿擾》節目將會在8月中旬播出。同年參演陳可辛導演的電影《親愛的》，與趙薇、黃渤合作。于9月25日上映。在這部影片中佟大為飾演的是一個幫助母親尋回孩子的律師高夏。
2015年2月，擔任《最強大腦》節目評審，節目組特意設置的兩人Pk明星挑戰項目，要求佟大為、徐靜蕾在限定時間內觀察16幅兩人的經典電影劇照，并對變成馬賽克的劇照進行搶答，回答出電影相關信息。2月18日，參加2015年中央電視臺春節聯歡晚會，表演開場節目《四世同堂合家歡》。4月16日，主演的電視劇《想明白了再結婚》在浙江衛視、深圳衛視聯合播出。同時與黃曉明、楊冪主演的電影《何以笙簫默》于4月30日上映。5月3日，與趙薇主演的電視劇《虎媽貓爸》于5月3日在東方衛視播出。同時參演的喜劇電影《橫沖直撞好萊塢》于6月26日上映。 7月3日，與姚笛合作主演的都市愛情劇《我的寶貝》在江蘇衛視播出。7月24日，佟大為參與的首檔大型戶外競技類真人秀《真心英雄》在江蘇衛視播出。第17屆華鼎獎中國電視劇滿意度頒獎盛典8月9日在上海世博中心舉行，佟大為獲得中國百強電視劇最佳男主角。10月8日傷情暖愛都市大劇《如果可以這樣愛》開機，佟大為飾演男主角耿墨池。佟大為加盟湖南衛視第四季度原創節目《一年級》大學季。同年友情客串電視劇《愛無痕》。
2016年，主演的犯罪警匪電影《冰河追兇》。主演電視劇《人間至味是清歡》。11月11日，佟大為與陳妍希、呂云驄合作主演的減壓喜劇電影《外公芳齡38》全國公映。
2017年10月30日晚，諜戰劇《絕密者》正式確認了由佟大為搭檔鄭爽出演男主角金皓東。
2018年12月29日，與馬麗、霍思燕合作主演的喜劇電影《手機狂響》上映。
2019年2月4日，2019年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會，佟大為與尚大慶、李文啟、黃曉娟、楊紫、王自健、孫茜、李闖表演小品《站臺》。同年，與蔣欣、徐小颯、柳小海等合作出演主旋律電視劇《奔騰年代》，在劇中飾演常漢卿。10月18日，由浙江衛視制作的原創表演類綜藝節目《我就是演員之巔峰對決》曝光首發陣容海報，佟大為擔任男嘉賓；10月24日，主演電視劇《奔騰年代》在浙江衛視、東方衛視首播。
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