2009年，制作个人第一张专辑《今天开始》，获得当年香港多个音乐颁奖礼的新人奖。同年凭借处女电影作《岁月神偷》里表现及对剧中主题曲《岁月轻狂》的演绎夺得香港电影金像奖最佳新人奖和最佳原创电影歌曲两项大奖。2010年，在香港导演叶伟民执导的电影《李小龙我的兄弟》中扮演李小龙，并在以怀念哥哥张国荣为题材的电影《为你钟情》中饰演了八十年代学生王子张伟杰。2012年，与郭富城，梁家辉合作主演动作电影《寒战》，在片中扮演廉政公署首席调查主任张国标。2013年，在性感喜剧电影《一夜惊喜》中扮演痴情体贴的暖心男张童宇，与范冰冰饰演的米雪展开了一段甜蜜的爱情。2014年，主演古装剧《武媚娘传奇》，饰演唐高宗李治；同年与文咏珊再度携手合作出演惊悚片《怪谈》饰演恐怖片剪辑师子梁。同年出演郭敬明导演电影《爵迹》饰演四度使徒霓虹。2015年，与成龙、张艺兴共同主演唐季礼执导的功夫喜剧电影《功夫瑜伽》。2015年，东方卫视《花样姐姐》（常驻嘉宾）、浙江卫视《奔跑吧，兄弟》、东方卫视《报告教练》（常驻嘉宾）、江苏卫视《原来是你》2016年，深圳卫视&搜狐视频《对口型大作战》、乐视视频《你看起来很好吃》、东方卫视《花样姐姐2》（常驻嘉宾）、爱奇艺《姐姐好饿》2017年，与大鹏、倪妮共同主演袁和平执导的奇幻武侠电影《奇门遁甲》。6月，加盟东方卫视明星旅行体验综艺节目《旅途的花样》；12月，与景甜、于小伟合作出演由金琛执导的都市励志爱情剧《极客江湖》，在剧中饰演海归王阳。同年，参加腾讯视频《脑力男人时代》（常驻嘉宾）、东方卫视《旅途的花样》（常驻嘉宾）、优酷视频《锋味》、东方卫视《青春旅社》等综艺节目。2018年，与张榕容、白客等合作出演中英合拍喜剧电影《合法伴侣》，在片中饰演一名音乐系高材生，有情感洁癖的青涩男生。4月，搭档张雪迎主演励志传奇剧《白发王妃》，在剧中饰演冷若冰霜不近女色却为一人破例的无忧。同年，与颖儿、付辛博主演共同古装仙侠剧《古剑奇谭贰》，在剧中饰演圣元帝三子夏夷则；同年，参加湖南卫视《幻乐之城》、腾讯视频《超新星全运会》（常驻嘉宾）等综艺节目。2019年，领衔主演留学题材电视剧《藤科动物也凶猛》；5月，推出和郁可唯合作的单曲《小至》；为电视剧《白发》创作并演唱单曲《若雪》；为电视剧《我的真朋友》创作并演唱单曲《I Know You Know》；获得“年度挚爱突破演员”奖；7月，作客《非常静距离》；湖南卫视《快乐大本营》190706期嘉宾；8月，获得华歌榜2019澳门盛典“年度全能男艺人”，和郁可唯合作的《小至》获年度金曲；9月，出演东方卫视《闪亮的名字》第二季第四集，还原缉毒英雄柯占军的事迹；参加北京卫视大型文化体验类节目《遇见天坛》，第二集嘉宾；10月，北京卫视《跨界歌王》第四季第一期和第十三期嘉宾，跨界盛典第二轮嘉宾，并获得“最佳人气奖”。12月，参加中央广播电视总台跨年盛典，担任演出嘉宾。2020年，参与腾讯视频出品的能量女团成长综艺《创造营2020》，担任助演嘉宾；6月25日，参与中央广播电视总台端午特别节目《端午道安康》，与叶蓓演唱歌曲《想把我唱给你听》；8月16日，参与江苏卫视蒙面类舞蹈竞演节目《蒙面舞王》，担任猜评团成员；9月28日，搭档孟子义、李艺彤、汪卓成、钟祺等出演了企鹅影视和丝芭影视出品的古装剧《浮世双娇传》在腾讯视频播出；10月29日，主演的电影《我的佣兵生涯》发布海报。2021年3月12日，与张榕容、白客等合作出演中英合拍喜剧电影《合法伴侣》上映，在片中饰演一名音乐系高材生，有情感洁癖的青涩男生；4月7日，个人原创单曲《OneAndOnly》MV重磅上线，作为其个人唱作EP《黑马先生》第三首主打；4月10日，《我是女演员》官方宣布李治廷加盟担任“代课老师”；5月30日，以“青春召集人”参与录制的庆祝建党百年特别节目《28岁的你》播出；6月13日，参演电视剧《百炼成钢》；9月21日，参加“湾区升明月”2021大湾区中秋电影音乐晚会，与郑凯、关晓彤等共同演唱开场歌曲《天涯共此时》。12月5日，参演的综艺节目《哎呀好身材3》每周日中午12点踏浪来袭；12月17日，主演电影《误杀2》。参加真人秀《姐妹俱乐部》。2022年6月12日，其主演的献礼剧《狮子山下的故事》播出；6月27日晚，参加人民日报新媒体、电影频道融媒体中心、1905电影网共同推出“我们的紫荆花”云歌会直播活动；同月，参加《星耀香江扬帆起航》庆祝香港回归25周年活动。7月30日晚，参加第36届大众电影百花奖颁奖典礼。8月12日，李治廷加盟百川综艺季；9月9日，主演的电影《狼群》上映。9月23日，主演的《纵横芯海》阵容官宣；11月10日，宣布加盟综艺《无限超越班》。2023年6月25日，参加的《好样的！国货》播出。10月21日，参加“大众电影2023大湾区音乐汇”。