方大同于2005年出道，起初唱片公司采取“听其声而不见其人”的宣传手法。后来，他开始参与各大音乐会的演出。2005年5月5日，方大同担任飞儿乐团拉阔音乐会的开场嘉宾，身穿全白色的服装，献唱《春风吹》及《南音》两首歌，为他的歌手事业拉开序幕。而未正式入行前，他已先后为陈坤和张惠妹作过曲。11月，方大同发表首张个人专辑《SoulBoy》。
2006年1月1日，获得了2005叱咤乐坛流行榜颁奖典礼叱咤乐坛生力军男歌手银奖。7月17日，参加903拉阔演奏厅音乐会第三场。7月22日，参加LOVE MUSIC MOOV歌舞会。12月13日，2006年度叱咤乐坛流行榜颁奖典礼上，与另外三位唱作人王菀之、张敬轩、张继聪合唱。12月31日，发行专辑《爱爱爱》。
2007年2月1日至3日，方大同举办爱爱爱音乐会《This Love Live 2007》，在湾仔艺术中心寿臣剧院举办。3月29日，方大同参加Nokia音乐有得《Talk·903 Music》音乐会。4月27日，参加薛凯琪《Roadshow Live》音乐会做嘉宾。5月23日，为何韵诗新城好友音乐会做嘉宾。6月18日，方大同举办Nokia音乐有得《Talk·903 Music Talkie 》音乐会II。8月23日，方大同参加Juicy Fruit“头号人物混合唱”音乐会。12月28日，发行了专辑《未来》。
2008年4月5日，方大同于台北国际会议中心举行《方大同未来LIVE Concert》，吸引不少台湾演艺界人士到场欣赏。同年，入围台湾金曲奖最佳国语男歌手。
2009年1月1日，方大同在2008年度叱咤乐坛流行榜颁奖典礼上同时获得了叱咤乐坛男歌手金奖、叱咤乐坛唱作人金奖、叱咤乐坛作曲人大奖，成为首位以作曲人大奖、男歌手金奖身份获得唱作人金奖的歌手，首个全年只有国语歌上榜而成为金奖得主的男歌手。5月22日，凭借《橙月》获得了华语音乐盛典2009年度最佳男歌手奖。11月7日，方大同在上海举办演唱会。当天，方大同的妈妈也就座台下观看。11月19日，在第九届全球华语歌曲排行榜上获得了年度最受欢迎创作歌手奖，他的专辑《橙月》也获得了年度最佳专辑奖。
2010年2月12日，方大同为张敬轩“轩动心弦”演唱会做第一场嘉宾。3月27日，参加香港2010国际无伴奏音乐盛典。7月23日，方大同举行的展个人演唱会。8月13日，方大同与王力宏、刘亦菲主演的电影《恋爱通告》在中国台湾首映。
2011年2月3日，方大同与李健、萧敬腾组成2011年中国中央电视台春节联欢晚会新势力歌组合。9月7日下午，方大同在北京举行盛大记者会，10月22日在万事达中心举办2011年个人演唱会，这也是方大同在北京首次登上万人大场舞台。
2012年，方大同武汉演唱会于2月14日情人节在武汉光谷体育馆举行。4月13日，获得了第16届全球华语榜中榜最佳音乐制作人奖、香港最佳男歌手奖。12月12日，方大同发行专辑《回到未来》。
2013年1月，他作曲的歌曲《千纸鹤》获得第35届十大中文金曲颁奖典礼优秀流行国语歌曲奖银奖。2月10日，方大同参加央视音乐频道将推出“星光璀璨”2013年新民歌演唱会”。8月7日，金牌大风在北京举办记者会宣布与方大同正式签约。9月16日，方大同在香港举办“Soulboy Lights Up方大同”世界巡回演唱会，香港首站的新闻发布会。11月30日、12月1日在香港红磡体育馆举办个人演唱会，这次演唱会制作由台湾威络思娱乐担任并携手金牌大风投资。12月25日，方大同、浪漫爵士袁娅维领衔国内外爵士乐队嘉年华狂欢在2013环球巡回嘉年华上演。
2014年2月17日，方大同新专辑首波同名主打歌《危险世界》于HITfm全球首播。4月，方大同发行加盟金牌大风后的专辑《危险世界》，该专辑耗时一年录制，唱片公司斥资3000万为方大同打造七支MV。
2015年6月27日，方大同凭借专辑《危险世界》入围第26届台湾金曲奖最佳国语男歌手。
2016年9月28日，发行了专辑《JTW 西游记》。2017年6月，获得第28届台湾金曲奖最佳国语男歌手奖。
2017年6月24日，曾六度入围台湾金曲奖的方大同凭借《JTW西游记》，获得第28届台湾金曲奖最佳国语男歌手奖。8月9日，获得2017华语金曲奖“年度最佳国语男歌手”奖。12月18日，发布《艾美梦游》主题曲《Catch A Dream》。
2018年3月13日，发行单曲《Ten Reasons》；7月6日，发行单曲《云南里》；7月13日，发行EP《Emi The Dream Catcher #1》；7月21日，发行海洋保育的合唱单《颂海》；9月14日，发行单曲《Throw It Of》；12月25日，发行摇滚改编单曲《假行僧》。
2019年4月2日，发行单曲《白发》；8月23日，发行单曲《胜者精神》。
2020年6月19日，发行EP《宅这》；8月7日，发行单曲《TWIOCAMIC》。
2021年8月21日，方大同凭借单曲《面面》获得第32届台湾金曲奖最佳单曲制作人奖；11月11日，方大同首次担任制片人的爱情科幻电影《指引》上映。
2022年4月14日，发行单曲《清楚点》。
