2006年,与王宝强,张国强,张译等联袂主演军事动作,青春励志剧《士兵突击》,饰演一级士官,许三多5班战友老魏。同年,参演农村题材电视剧《插树岭》,在剧中饰演牛栓柱。2007年,与杨烁,方慧,涩谷天马,三浦研一,谢孟伟联袂主演以抗战为背景的电影《神鹤》。2008年,与张译,张国强,段奕宏,邢佳栋共同主演战争题材电视连续剧《我的团长我的团》,饰演绰号叫克虏伯的川军团炮兵时小毛。2009年,参演由兰晓龙编剧,孔笙导演的电视剧《生死线》,饰演老实憨厚,重情重义的窦六品。2010年1月30日,参与拍摄的战争剧《为了新中国前进》播出,剧中他饰演爽直,贪吃,又有些怕老婆的牛玉合；10月,由知名导演程樯执导的喜剧电影《熊出没注意》在全国上映,刘天佐在剧中饰演四人组中的胖子红中。2011年6月11日,与文章,姚笛,艾如联袂主演都市情感题材剧《裸婚时代》,在剧中饰演刘易阳的好哥们冬瓜；同年,与杨烁,张铎,王黎雯,张佳宁共同主演电视剧《蚁族的奋斗》,饰演幽默风趣的外来打工仔冯大宝。10月,参加《谢天谢地,你来啦》。2012年,都市情感剧《我的经济适用男》在东方卫视热播,刘天佐在剧中饰演IT公司职员,陈启中大学同学兼好友蔡军。2013年,与任泉,毕彦君,阎娜联袂主演32集家庭伦理剧《放开我的手》,饰演谢东伟。同年,与高露,袁文康共同主演微电影《告别囧途》并在片中饰演胖子一角。2014年5月,与黄圣依,贾一平,张峻宁,林雪合作主演都市爱情喜剧电影《拆散专家》,饰演米兰的“拆散”利器贝塔。同年,还参演电视剧《裸嫁时代》并饰演祝贺。2014年9月,与李易峰,杨洋,张智尧,魏巍合作超级季播剧《盗墓笔记》,饰演北派职业盗墓人王胖子。2015年,与黄晓明,杨幂合作参演的电影《何以笙箫默》上映,在影片中饰演律师合伙人“老袁”一角。11月,参加《一起出发》。2016年1月,在都市情感大戏《嘿,孩子！》中饰演健身教练方乐一角；12月16日,参演的电影《少年》上映。2017年,主演电视剧《大话西游之爱你一万年》,在剧中饰演天蓬元帅。2018年3月12日,参演的电视剧《梦想合伙人》播出,在剧中饰演贾磊；8月10日,主演的电影《爱情公寓》上映,在剧中饰演王胖子；9月,参加综艺节目《我就是演员》。2019年,出演电影《“大”人物》,饰演三舅；10月21日,刘天佐领衔主演的科幻爱情轻喜剧《我的机器人男友》在浙江卫视周播剧场正式开播；11月,出演现实题材电视剧《在不安的世界安静的活》。2020年8月12日,参演的电视剧《小镇警事》播出；12月13日,主演检察法治剧《巡回检察组》,在剧中饰演常子龙。2021年2月12日,参演的犯罪喜剧片《人潮汹涌》和电影《刺杀小说家》同日上映；9月22日,领衔主演的现实主义悬疑网剧《暗房》在爱奇艺开播；10月21日,参演的电视剧《突围》播出；12月8日,主演的援非医疗行业剧《埃博拉前线》在浙江卫视,北京卫视播出；12月15日,参演的电视剧《雪中悍刀行》在腾讯视频和CCTV-8联合播出,在剧中饰演褚禄山；12月31日,参演的电影《穿过寒冬拥抱你》上映；参演电视剧《理想照耀中国》。2022年2月5日,特别出演的冬奥献礼剧《冰雪之名》播出；4月28日,领衔主演的当代都市剧《新居之约》播出；同年12月15日,参演的电影《逃学神探》上映。2023年2月8日,主演的电视剧《战旗如画》在沂南县举行开机仪式；2月9日,参演的民俗悬疑电影《入棺》上映；4月14日,参演的电影《倍儿喜欢你》上映；7月,友情出演电视剧《暗夜与黎明》。8月25日,参演的《颜心记》杀青。帅气写真精彩剧照刘天佐与妻子方慧
2011年,刘天佐与演员方慧登记结婚。