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，刘天佐在河北参与拍摄战争剧《为了新中国前进》，剧中他饰演爽直、贪吃，又有些怕老婆的牛玉合。同年，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，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。

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。

2016年，在都市情感大戏《嘿，孩子！》中饰演健身教练方乐一角。

2019年，出演电影《“大”人物》，饰演三舅。

2019年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。