2009年，趙又廷出演了個人首部電視劇《痞子英雄》而踏入演藝圈；同年6月24日，該劇于中國內地播出，趙又廷在劇中飾演搏擊高手吳英雄，并憑借該片獲得第44屆臺灣電視金鐘獎最佳男主角 ?。

　　2010年2月5日，趙又廷主演由鈕承澤執導的青春動作片《艋舺》上映，他在片中飾演性格孤僻自卑的周以文 ?，并憑借該片獲得第5屆亞洲電影大獎最佳新演員獎 ?。該片上映后票房突破2億，取得了臺灣本土電影年度票房第一的票房成績。

　　2012年2月13日，趙又廷主演的由鈕承澤執導的愛情片《LOVE》上映，在片中飾演冷靜理智的馬克，而該片則取得了1.25億元的票房成績 ?；6月8日，愛情片《第一次》上映，趙又廷在片中飾演搖滾歌手宮寧；6月19日，趙又廷主演的動作片《痞子英雄之全面開戰》上映，他在片中飾演嫉惡如仇的吳英雄 ?；7月6日，其主演的由陳凱歌執導的劇情片《搜索》上映，趙又廷在片中飾演失業且負債累累的楊守誠，并憑借該角色獲得第15屆中國電影華表獎優秀境外華裔男演員獎 ?。

　　2013年4月26日，趙又廷主演的由趙薇執導的青春愛情片《致我們終將逝去的青春》上映，他在片中飾演出身貧寒、外表冷酷的陳孝正。該片上映后首映日票房達到4650萬，上映三天以5200萬元的成績打破單日華語片票房紀錄。而趙又廷個人則憑借該片提名第8屆亞洲電影大獎最佳男配角 ?；同年，在由徐克執導的3D懸疑動作片《狄仁杰之神都龍王》中飾演狄仁杰 ?。

　　2014年10月1日，趙又廷與林更新、黃渤合作主演的災難動作片《痞子英雄：黎明升起》上映，在片中飾演身手了得、但個性善良易沖動的警察吳英雄，并憑借該片獲得第16屆華鼎獎最佳男主角 ? ?。

　　2015年，趙又廷與楊冪合作出演了根據同名小說改編的古裝玄幻劇《三生三世十里桃花》，飾演九重天太子夜華，這是他首部內地電視劇作品 ?；4月，主演都市情感劇《深夜食堂》 ?；9月30日，其主演的3D冒險片《九層妖塔》上映，趙又廷在片中飾演摸金校尉胡八一 ?；11月，主演愛情片《南極絕戀》 ?；11月18日，趙又廷主演的奇幻動作片《勇士之門》上映，他在片中飾演一個身懷絕技的忠誠武士 ?。

　　2017年1月30日，其主演的古裝玄幻劇《三生三世十里桃花》在浙江衛視、東方衛視播出。