2009年，赵又廷出演了个人首部电视剧《痞子英雄》 而踏入演艺圈；同年6月24日，该剧于中国内地播出，赵又廷在剧中饰演搏击高手吴英雄，并献声片头曲《无赖正义》。凭借该片中的表现他入围了第16届上海电视节白玉兰奖好佳男演员，并在第44届台湾电视金钟奖夺得好佳男主角奖。
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届亚洲电影大奖好佳新演员奖。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，赵又廷主演的动作片《痞子英雄之全面开战》上映，他在片中饰演嫉恶如仇的吴英雄 ；7月6日，其主演的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，赵又廷主演的由赵薇执导的青春爱情片《致我们终将逝去的青春》上映，他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届亚洲电影大奖好佳男配角 ；同年，在由徐克执导的3D悬疑动作片《狄仁杰之神都龙王》中饰演狄仁杰。
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，在片中饰演身手了得、但个性善良易冲动的警察吴英雄，并凭借该片获得第16届华鼎奖好佳男主角。
2015年4月，主演都市情感剧《深夜食堂》；9月30日，其主演的3D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，主演爱情片《南极绝恋》 ；11月18日，赵又廷主演的奇幻动作片《勇士之门》上映，他在片中饰演一个身怀绝技的忠诚武士 。
2017年1月30日，赵又廷与杨幂合作主演的根据同名小说改编的古装玄幻剧《三生三世十里桃花》播出，并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，这是他首部内地电视剧作品，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” 。