2009年，赵又廷出演了个人首部电视剧作品《痞子英雄》，他 在剧中饰演搏击高手吴英雄，并为该剧献唱了主题曲《无赖正义》。同时，凭借在该片中的表现赵又廷入围了第16届上海电视节白玉兰奖最佳男演员，并在第44届台湾电视金钟奖颁奖礼夺得最佳男主角奖。

2010年2月5日，赵又廷主演由钮承泽执导的青春动作片《艋舺》上映，他在片中饰演性格孤僻自卑的周以文，并凭借该片获得第5届亚洲电影大奖最佳新演员奖。该片上映后票房突破2亿，取得了台湾本土电影年度票房第一的票房成绩。

2012年2月13日，赵又廷主演的由钮承泽执导的爱情片《LOVE》上映，在片中饰演冷静理智的马克，而该片则取得了1.25亿元的票房成绩；6月8日，爱情片《第一次》上映，赵又廷 在片中饰演摇滚歌手宫宁，并演唱电影插曲《哭得像小孩》；6月19日，主演的动作片《痞子英雄之全面开战》上映，赵又廷在片中饰演嫉恶如仇的吴英雄；7月6日，由陈凯歌执导的剧情片《搜索》上映，赵又廷在片中饰演失业且负债累累的打工仔杨守诚，并凭借该角色获得第15届中国电影华表奖优秀境外华裔男演员奖。

2013年4月26日，由赵薇执导的青春爱情片《致我们终将逝去的青春》上映，赵又廷在片中饰演出身贫寒、外表冷酷的陈孝正。该片上映后首映日票房达到4650万，上映三天以5200万元的成绩打破单日华语片票房纪录。而赵又廷个人则凭借该片提名第8届亚洲电影大奖最佳男配角；9月28日，赵又廷与冯绍峰、林更新合作主演的动作片《狄仁杰之神都龙王》上映，片中饰演男主角狄仁杰。

2014年10月1日，赵又廷与林更新、黄渤合作主演的灾难 动作片《痞子英雄：黎明升起》上映，他在片中饰演身手了得、但个性善良易冲动的警察吴英雄，并凭借该角色获得第16届华鼎奖最佳男主角奖。

2015年9月30日，与姚晨合作主演的奇幻冒险片《九层妖塔》上映，赵又廷在片中饰演摸金校尉胡八一；11月18日，搭档倪妮主演的奇幻动作片《勇士之门》上映，赵又廷在片中饰演一个身怀绝技的忠诚武士。

2017年1月30日，根据同名小说改编的古装玄幻剧《三生三世十里桃花》首播，这是赵又廷首部内地电视剧作品，他在剧中一人分饰两角，饰演了九重天太子夜华和上古战神墨渊 ，凭借该剧中的表现赵又廷获得了中 国电视剧品质盛典“年度突出表演剧星”；6月12日，赵又廷在播出的都市情感剧《深夜食堂》中客串出演了一名听障人士马克。

2018年2月2日，与杨子珊合作主演的爱情片《南极之恋》上映，该片改编自导演吴有音的同名小说，赵又廷在片中饰演婚庆公司的老板吴富春；5月4日，赵又廷的蜡像揭幕仪式在上海杜莎夫人蜡像馆举行；7月27日，由徐克执导的古装动作片《狄仁杰之四大天王》上映，赵又廷在片中饰演狄仁杰 ；同年，确定出演都市职场剧《平凡的荣耀》，并在剧中饰演投资公司的经理吴恪之。

2019年，赵又廷与娄烨合作，巩俐搭档主演的电影《兰心大剧院》，他在片中饰演话剧导演谭呐；同年，确定出演由郭敬明执导的电影《晴雅集》。