2015年2月，担任《好强大脑》节目评审，节目组特意设置的两人Pk明星挑战项目，要求佟大为、徐静蕾在限定时间内观察16幅两人的经典电影剧照，并对变成马赛克的剧照进行抢答，回答出电影相关信息[38] 。2月18日，参加2015年中央电视台春节联欢晚会，表演开场节目《四世同堂合家欢》[14] 。4月16日，主演的电视剧《想明白了再结婚》在浙江卫视、深圳卫视联合播出。[39] 同时与黄晓明、杨幂主演的电影《何以笙箫默》于4月30日上映。[40] 5月3日，与赵薇主演的电视剧《虎妈猫爸》于5月3日在东方卫视播出。[41] 同时参演的喜剧电影《横冲直撞好莱坞》于6月26日上映。[42] 7月3日，与姚笛合作主演的都市爱情剧《我的宝贝》在江苏卫视播出。[43] 7月24日，佟大为参与的首档大型户外竞技类真人秀《真心英雄》在江苏卫视播出。[44] 第17届华鼎奖中国电视剧满意度颁奖盛典8月9日在上海世博中心举行，佟大为获得中国百强电视剧好佳男主角[45] 。10月8日伤情暖爱都市大剧《如果可以这样爱》开机，佟大为饰演男主角耿墨池[46] 。佟大为加盟湖南卫视第四季度原创节目《一年级》大学季。[47] 同年友情客串电视剧《爱无痕》[48] 。
2016年，主演的犯罪警匪电影《冰河追凶》[49] 。主演电视剧《人间至味是清欢》[50] 。11月11日，佟大为与陈妍希、吕云骢合作主演的减压喜剧电影《外公芳龄38》全国公映