2002年,他因外婆过世,从加拿大回台湾奔丧,被杨大庆导演看中,出演了电视剧《爱情白皮书》,就此敲开了演艺圈的大门。2005年,他在电视剧《仙剑奇侠传》中饰演“唐钰小宝”一角,得到了许多观众的喜爱;2006年,彭于晏首次出演电影担当《六号出口》的男主角;2007年,凭电影《基因决定我爱你》获得第44届台湾电影金马奖最佳新演员提名并为金马短片单元制作片头,完成导演处女作;2009年,因与前经纪公司闹合约纠纷,事业陷入低谷,纠纷解决后,发行了首张个人EP《非爱不可》。
2011年,主演的电影《翻滚吧!阿信》是彭于晏事业的转折点,他凭借该戏入围第48届台湾电影金马奖最佳男主角提名。而后接连拍摄了《寒战》、《分手合约》、《激战》等多部电影,更凭《激战》中“林思齐”一角角逐第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。