刘天佐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。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。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。2016年在都市情感大戏《嘿，孩子！》中饰演健身教练方乐一角。
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。同年还参演电视剧《裸嫁时代》并饰演祝贺。
2014年与李易峰、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。从早年《我的团长我的团》中的克虏伯，到《蚁族的奋斗》里的冯大宝，刘天佐所塑造的每个人物都有鲜明的个性特征。在《士兵突击》、《生死线》、《裸婚时代》等剧中，刘天佐皆凭借其绝不雷同且不落俗套的演技征服了不少观众，特别是《裸婚时代》中的冬瓜一角，令刘天佐人气大涨。
