2002年暑假外婆过世，他为奔丧回到台湾，遇到小时候拍广告认识的导
演杨大庆，找他演出偶像剧《
爱情白皮书》，该剧改编自日本漫画大师柴门文经典名作，与他同戏合作的是余文乐、杨丞琳和范玮琪，就此敲开了演艺圈的大门。
2003年，首次担当男一号，与韩国演员秋瓷炫共谱了一段前世缘灭、今生续缘的浪漫爱情故事《恋香》。
2004年，出演《仙剑奇侠传》中痴情的唐钰一角，得到了许多观众的喜爱。
2005年，在偶像剧《海豚爱上猫》中，彭于晏一反《爱情白皮书》中的顽皮男生模样，首次尝试扮演有自闭倾向的年轻人，还花了一个月的时间学习如何与海豚相处。并在剧集拍摄完后成功通过了海豚训练师的正式考核，获得资格认证。同年，拍摄电视剧《
我只在乎你》，与杨谨华、刘松仁等合作，并凭此片入围2006年第41届台湾电视金钟奖戏剧节目最佳男配角奖。
2006年，与上海唐人电影制作有限公司合作第二部内地古装偶像剧《
少年杨家将》，并首度出演电影，担当林育贤导演《六号出口》的男主角。初尝大银幕，彭于晏感受到电影的不同魅力，让他爱上拍电影这件事。
2007年，凭借电影《
基因决定我爱你》与汤唯等人一起入围第44届台湾电影金马奖最佳新演员，并为金马短片单元制作片头，完成导演处女作。同年，拍摄钮承泽执导的电视剧《我在垦丁天气晴》，入围2008年第43届台湾电视金钟奖戏剧节目最佳男主角。因为拍戏的关系，彭于晏在垦丁一待就是四个月，因此认识了许多在地的好朋友，也进一步发现了属于垦丁特有的魅力与故事，于是在2008年，彭于晏出版了《彭于晏・垦丁15x6》一书，把自己在垦丁的点点滴滴记录下来。
2008年，彭于晏有两部电影上映，分别是由徐克执导，周迅、桂纶镁、张雨绮合作的
《
女人不坏》，以及李鼎执导，大s、张孝全合作的《爱的发声练习》。
2009年，彭于晏与前经纪公司发生合约纠纷，期间，彭于晏接演了台湾励志电影《
听说》，为该戏学习手语，这部与台北听障奥运主题结合的影片上档后佳评如潮，成为2009年纯台湾资金与工作人员影片的开票冠军。
2010年，合约纠纷胜诉。之后发行了首张个人EP《
非爱不可》。同年，电影《近在咫尺的爱恋》亮相上海国际电影节，彭于晏在片中饰演一名拳击手，为了能表演得更好，他特意进行了三个月的培训，同时凭该片入围第二届澳门国际电影节最佳男主角。
2011年，与Angelababy首度合作，共同演绎了一段美丽海岛上所经历的不可思议的奇妙缘分《
夏日乐悠悠》。2011年，《
翻滚吧！阿信》在中国内地上映，彭于晏在本片中化身专业体操选手，为塑造完美体操运动员身形，他进行了八个月训练准备，不断挑战自己的体能极限，练就标准运动员身材，并翻身入围第48届台湾电影金马奖最佳男主角，跻身台湾一线小生行列。
2012年，《LOVE》、《太极》、《
寒战》相继在中国内地上映，让人们看到了他除了出演爱情电影乖乖牌之外的其他侧面。
2013年，中韩合拍的爱情电影《
分手合约》在中国和韩国上映，这部电影由韩国导演吴基桓执导，在中国内地收获1.92亿的票房成绩；随后，由林超贤执导，与张家辉合作的电影《
激战》也在中港台陆续上映，收获了超强的口碑，并荣登2013年港产票房第一位，同时，彭于晏也凭《激战》中“林思齐”一角入围第50届台湾电影金马奖及第33届香港电影金像奖最佳男配角。
2014年，彭于晏迎来了首个个人“作品季”。其主演的电影《
黄飞鸿之英雄有梦》成为继李连杰、赵文卓之后新一代黄飞鸿演出者，并以此片入围第34届香港电影金像奖最佳男主角奖，同时由知名小说改编的爱情电影《
匆匆那年》，古装大剧《
风中奇缘》也相继在2014年10、11、12月接连推出，三部高关注度的作品，不但展现三款演技，也让他的身影连续三个月猛烈进击大小屏幕，是他入行以来的事业新高点。
2015年，他主演的由林超贤执导的青春热血动作大片《破风》相继在中国内地、香港、台湾以及东南亚等各国上映后收获众多好评，并代表香港角逐第88届奥斯卡金像奖最佳外语片奖。同时，他还相继与舒淇合作拍摄了电影《
剩者为王》、与章子怡合作拍摄了电影《
奔爱》、参演由张艺谋执导的好莱坞魔幻电影《
长城》、陈木胜执导的电影《危城歼霸》等多部作品。9月，由导演林超贤执导的警匪动作巨制《
湄公河行动》在泰国曼谷正式开机，彭于晏首挑真实跨国重案。
