1997年，佟大为考入上海戏剧学院表演系。1998年，佟大为首次出演电视剧《嫂娘》，1999年参演《世纪人生》，2000年参演《都是天使惹的祸》，2001年，参演电视《海洋馆的约会》、《少年包青天2》，参演电影《我爱你》、《一百个小偷》。 

2003年出演《玉观音》，饰演杨瑞，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。他在赵宝刚执导的励志爱情电视剧《奋斗》中饰演陆涛一角，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。同年参演李玉导演的电影《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。 

2008年出演电影《赤壁》，2009年出演《大内密探零零狗》、《婚姻保卫战》。  

2011年，出演张艺谋执导的电影《金陵十三钗》，凭借《金陵十三钗》荣获第十二届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖，《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《富春山居图》，凭借《中国合伙人》中的文艺青年王阳一角提名金马奖“最佳男配角”、亚太影展“最佳男配角”奖，以及香港金像奖“最佳男配角”奖。 

2013年，在电视剧《门第》中饰何春生，同年拍摄青春纪录片《青春》，以及吴宇森执导的电影《太平轮》，饰演佟大庆。

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。

2014年7月26日，江苏卫视《非诚勿扰》节目新一期录制，演员佟大为接过点评嘉宾的接力棒，与孟非（微博）、黄菡组成新的“非诚合伙人”。记者获悉，佟大为加盟录制的《非诚勿扰》节目将会在8月中旬播出。
2015年，与王丽坤、邓家佳合作主演了现代都市情感电视剧《想明白了再结婚》中的龙夏一角，同年与赵薇合作主演了电视剧《虎妈猫爸》的拍摄。
2015年，主演的电视剧《我的宝贝》。