2002年，通过甄选，获得了出演青春剧《爱情白皮书》的资格，这是他的首部电视剧作品。2003年，首次担当男主的彭于晏与秋瓷炫共同主演浪漫爱情剧《恋香》，在剧中饰演有着敏锐嗅觉的金承天。2004年，与胡歌、刘亦菲等人合作主演仙侠剧《仙剑奇侠传》，他也因在剧中饰演本领不凡，对阿奴一往情深的唐钰而获得更多关注。

2005年，与张韶涵合作主演偶像剧《海豚爱上猫》，在剧中饰演有自闭倾向的徐蔚，而他也在剧集拍摄完毕后成功通过了海豚训练师的正式考核，获得资格认证；同年，出演伦理剧《我只在乎你》，他凭借该剧入围第41届台湾电视金钟奖戏剧节目最佳男配角奖。

2006年9月26日，与胡歌、何润东等人合作主演的古装剧《少年杨家将》播出，在剧中饰演刁钻机灵的七郎杨延嗣；随后，与阮经天、刘荷娜合作主演剧情片《六号出口》，在片中饰演迷茫而又充满热血的少年范达音。

2007年，凭借主演的科幻爱情喜剧片《基因决定我爱你》入围第44届台湾电影金马奖最佳新演员奖，并为金马短片单元制作片头，完成了个人导演处女作。

2008年11月21日，与大s、张孝全合作主演的现代爱情片《爱的发声练习》上映，在片中饰演小猫的青梅竹马阿良；7月，出版了个人书籍《彭于晏·垦丁15x6》；同年，凭借主演的青春爱情剧《我在垦丁天气晴》入围第43届台湾电视金钟奖戏剧节目最佳男主角奖；12月11日，主演的爱情喜剧片《女人不坏》上映，在片中饰演痴情眼镜男莫启彦。

2009年，彭于晏与经纪公司发生合约纠纷；8月28日，主演的励志电影《听说》上映，他在剧中饰演阳光男孩黄天阔。

2010年，与前经纪公司合约纠纷胜诉；随后，发行了首张个人音乐EP《非爱不可》；同年，主演程孝泽执导的动作爱情片《近在咫尺的爱恋》，彭于晏在片中饰演自恋甚至有点自负的拳击手大杰，为了能表演得更好，他特意进行了三个月的培训，而他也凭该片入围了第二届澳门国际电影节最佳男主角奖。

2011年，与Angelababy首度合作，共同主演浪漫爱情电影《夏日乐悠悠》；11月20日，主演的励志热血电影《翻滚吧！阿信》在中国内地上映，彭于晏在片中饰演化身专业体操选手阿信，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，随后，入围第48届台湾电影金马奖最佳男主角。

2012年2月13日，与赵薇、舒淇等人合作主演爱情电影《LOVE》；11月8日，主演的动作电影《寒战》在中国内地上映，彭于晏在片中饰演警务处现任行动副处长李文彬的儿子李家俊 。

2013年4月，主演的爱情电影《分手合约》在中国内地和韩国上映，该影片上映后，在中国内地获得1.92亿的票房成绩；随后，主演林超贤执导的动作电影《激战》也在内地、香港、台湾陆续上映，并荣登年度港产票房第一位；同时，彭于晏也凭借《激战》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”，凭借主演的动作片《黄飞鸿之英雄有梦》入围第34届香港电影金像奖最佳男主角奖；同时，在主演的爱情电影《匆匆那年》中饰演班长陈寻；同年，在主演的古装剧《风中奇缘》中饰演英姿飒爽、潇洒不羁的卫无忌。

2015年，主演由林超贤执导的青春热血动作片《破风》上映，在片中饰演的专业自行车运动员仇铭；8月12日，主演的陈木胜执导的动作片《危城》在中国内地上映，他在片中饰演押镖镖师马锋；11月6日，主演的都市爱情电影《剩者为王》上映，彭于晏在片中饰演率真阳光的大男孩马赛；同年，与章子怡合作拍摄了爱情电影《奔爱》，在片中饰演寿司店学徒冯裕健；随后，他还参演了由张艺谋执导的魔幻电影《长城》，在片中饰演无影禁军中的将领吴将军。

2016年2月，彭于晏主演许鞍华执导的动作剧情片《明月几时有》，在片中饰演智勇双全、骁勇善战的神枪手刘黑仔；9月30日，其主演的动作警匪片《湄公河行动》上映，并在片中饰演沉稳老练、处变不惊的中国缉毒情报员方新武；同年，凭借主演的爱情电影《破风》提名第16届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖。

2017年1月28日，主演的轻喜剧《乘风破浪》在中国上映，在片中饰演20世纪90年代的上海小镇青年徐正太，该片票房突破10亿元 ，凭借该剧提名第12届华语青年影像论坛年度新锐男演员奖；7月13日，主演的古装神话动作片《悟空传》上映，而该片在上映后则取得了接近7亿人民币的票房成绩；同年，凭借主演的动作警匪片《湄公河行动》提名第24届。

2018年7月13日，主演的动作喜剧电影《邪不压正》上映，彭于晏在影片中饰演习武少年李天然。2019年，参演由许鞍华执导的电影《第一炉香》；8月30日，出演的剧情片《深夜食堂》上映，彭于晏在片中饰演健身教练；随后，与王彦霖等人合作主演林超贤执导的海上救援题材电影《紧急救援》，在片中饰演紧急救援队副队长蓝旗，该影片定档于2020年1月25日上映。