2002年，通過甄選，獲得了出演青春劇《愛情白皮書》的資格，這是他的首部電視劇作品。2003年，首次擔當男主的彭于晏與秋瓷炫共同主演浪漫愛情劇《戀香》，在劇中飾演有著敏銳嗅覺的金承天。2004年，與胡歌、劉亦菲等人合作主演仙俠劇《仙劍奇?zhèn)b傳》，他也因在劇中飾演本領(lǐng)不凡，對阿奴一往情深的唐鈺而獲得更多關(guān)注。
2005年，與張韶涵合作主演偶像劇《海豚愛上貓》，在劇中飾演有自閉傾向的徐蔚，而他也在劇集拍攝完畢后成功通過了海豚訓練師的正式考核，獲得資格認證；同年，出演倫理劇《我只在乎你》，他憑借該劇入圍第41屆臺灣電視金鐘獎戲劇節(jié)目最佳男配角獎。
2006年9月26日，與胡歌、何潤東等人合作主演的古裝劇《少年楊家將》播出，在劇中飾演刁鉆機靈的七郎楊延嗣；隨后，與阮經(jīng)天、劉荷娜合作主演劇情片《六號出口》，在片中飾演迷茫而又充滿熱血的少年范達音。
2007年，憑借主演的科幻愛情喜劇片《基因決定我愛你》入圍第44屆臺灣電影金馬獎最佳新演員獎，并為金馬短片單元制作片頭，完成了個人導演處女作。
2008年11月21日，與大s、張孝全合作主演的現(xiàn)代愛情片《愛的發(fā)聲練習》上映，在片中飾演小貓的青梅竹馬阿良；7月，出版了個人書籍《彭于晏·墾丁15x6》；同年，憑借主演的青春愛情劇《我在墾丁天氣晴》入圍第43屆臺灣電視金鐘獎戲劇節(jié)目最佳男主角獎；12月11日，主演的愛情喜劇片《女人不壞》上映，在片中飾演癡情眼鏡男莫啟彥。
2009年，彭于晏與經(jīng)紀公司發(fā)生合約糾紛；8月28日，主演的勵志電影《聽說》上映，他在劇中飾演陽光男孩黃天闊。
2010年，與前經(jīng)紀公司合約糾紛勝訴；隨后，發(fā)行了首張個人音樂EP《非愛不可》；同年，主演程孝澤執(zhí)導的動作愛情片《近在咫尺的愛戀》，彭于晏在片中飾演自戀甚至有點自負的拳擊手大杰，為了能表演得更好，他特意進行了三個月的培訓，而他也憑該片入圍了第二屆澳門國際電影節(jié)最佳男主角獎。
2011年，與Angelababy首度合作，共同主演浪漫愛情電影《夏日樂悠悠》；11月20日，主演的勵志熱血電影《翻滾吧！阿信》在中國內(nèi)地上映，彭于晏在片中飾演化身專業(yè)體操選手阿信，為塑造完美體操運動員身形，他進行了八個月訓練準備，不斷挑戰(zhàn)自己的體能極限，練就標準運動員身材，隨后，入圍第48屆臺灣電影金馬獎最佳男主角。
2012年2月13日，與趙薇、舒淇等人合作主演愛情電影《LOVE》；11月8日，主演的動作電影《寒戰(zhàn)》在中國內(nèi)地上映，彭于晏在片中飾演警務(wù)處現(xiàn)任行動副處長李文彬的兒子李家俊 。
2013年4月，主演的愛情電影《分手合約》在中國內(nèi)地和韓國上映，該影片上映后，在中國內(nèi)地獲得1.92億的票房成績；隨后，主演林超賢執(zhí)導的動作電影《激戰(zhàn)》也在內(nèi)地、香港、臺灣陸續(xù)上映，并榮登年度港產(chǎn)票房第一位；同時，彭于晏也憑借《激戰(zhàn)》入圍第50屆臺灣電影金馬獎及第33屆香港電影金像獎最佳男配角。
2014年，彭于晏迎來了首個個人“作品季”，憑借主演的動作片《黃飛鴻之英雄有夢》入圍第34屆香港電影金像獎最佳男主角獎；同時，在主演的愛情電影《匆匆那年》中飾演班長陳尋；同年，在主演的古裝劇《風中奇緣》中飾演英姿颯爽、瀟灑不羈的衛(wèi)無忌。
2015年，主演由林超賢執(zhí)導的青春熱血動作片《破風》上映，在片中飾演的專業(yè)自行車運動員仇銘；8月12日，主演的陳木勝執(zhí)導的動作片《危城》在中國內(nèi)地上映，他在片中飾演押鏢鏢師馬鋒；11月6日，主演的都市愛情電影《剩者為王》上映，彭于晏在片中飾演率真陽光的大男孩馬賽；同年，與章子怡合作拍攝了愛情電影《奔愛》，在片中飾演壽司店學徒馮裕健；隨后，他還參演了由張藝謀執(zhí)導的魔幻電影《長城》，在片中飾演無影禁軍中的將領(lǐng)吳將軍。
2016年2月，彭于晏主演許鞍華執(zhí)導的動作劇情片《明月幾時有》，在片中飾演智勇雙全、驍勇善戰(zhàn)的神槍手劉黑仔；9月30日，其主演的動作警匪片《湄公河行動》上映，并在片中飾演沉穩(wěn)老練、處變不驚的中國緝毒情報員方新武；同年，憑借主演的愛情電影《破風》提名第16屆華語電影傳媒大獎觀眾票選最受矚目男演員獎。
2017年1月28日，主演的輕喜劇《乘風破浪》在中國上映，在片中飾演20世紀90年代的上海小鎮(zhèn)青年徐正太，該片票房突破10億元 ，憑借該劇提名第12屆華語青年影像論壇年度新銳男演員獎；7月13日，主演的古裝神話動作片《悟空傳》上映，而該片在上映后則取得了接近7億人民幣的票房成績；同年，憑借主演的動作警匪片《湄公河行動》提名第24屆。
2018年7月13日，主演的動作喜劇電影《邪不壓正》上映，彭于晏在影片中飾演習武少年李天然。2019年，參演由許鞍華執(zhí)導的電影《第一爐香》；8月30日，出演的劇情片《深夜食堂》上映，彭于晏在片中飾演健身教練；隨后，與王彥霖等人合作主演林超賢執(zhí)導的海上救援題材電影《緊急救援》，在片中飾演緊急救援隊副隊長藍旗，該影片定檔于2020年1月25日上映。
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