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。