2012年2月13日,与钮承泽导演再度合作,主演的《LOVE》赵又廷饰演的马克是八位主角中情感关系非常复杂的一位,与赵薇和舒淇都有情感纠葛,在海外上映,成为2012年中国电影北美票房冠军。2012年6月至7月,主演的三部影片《第一次》《痞子英雄之全面开战》《搜索》接连上映。《第一次》作为一部小成本青春纯爱影片,取得了两周票房连冠,在好莱坞大片中成功突围。而在《痞子英雄之全面开战》中,赵又廷延续了电视剧版中的角色,与Angelababy和黄渤合作,呈现了一部大场面动作影片,内地票房近亿元。2013年4月26日起,由赵薇执导,赵又廷、韩庚等主演的电影《致我们终将逝去的青春》在影片中出演男主角陈孝正。首映日票房达到4650万元,上映第三天,影片以5200万元的成绩,创下单日华语片票房纪录。2014年10月,由赵又廷、林更新、黄渤等主演的灾难动作片《痞子英雄:黎明升起》定于10月1日上档。2015年5月,参演吕克·贝松执导的电影《勇士之门》。