O primeiro álbum de Bieber, o extended play My World, foi lançado em 17 de novembro de 2009. O álbum conta com os vocais de Usher, que aparece no videoclipe de "One Time". Bieber realizou uma turnê promocional para divulgar o single e esteve em várias estações de rádio. "One Time" alcançou a décima segunda posição na Canadian Hot 100 durante sua primeira semana, em julho de 2009, e a vigésima na Billboard Hot 100. Em 26 de setembro de 2009, "One Time" foi certificado Platina no Canadá. Os três singles seguintes foram "One Less Lonely Girl", "Love Me" e "Favorite Girl", os dois últimos foram lançados exclusivamente no iTunes, e ficaram posicionados no top 15 do Canadá e no top 40 dos Estados Unidos.
Bieber se apresentou em diversos programas como o VMA 09 Tour da MTV, o programa europeu The Dome,The Next Star, The Today Show, The Wendy Williams Show, Lopez Tonight, The Ellen DeGeneres Show, It's On with Alexa Chung, Good Morning America, Chelsea Lately e 106 & Park com Rihanna. Bieber também fez uma participação em um episódio de True Jackson, VP em 2009. Em outubro de 2009, Justin foi votado como o 5º Melhor Bom Exemplo de 2009 pela JSYK da AOL.
Bieber fez uma performance para o presidente dos Estados Unidos Barack Obama, e a primeira dama, Michelle Obama, na Casa Branca para oChristmas in Washington, um especial musical televisionado que beneficiou o National Children's Medical Center e foi exibido em 20 de dezembro de 2009 no canal TNT. Ele apresentou "Someday at Christmas" de Stevie Wonder no programa. Se apresentou ainda no 52º Grammy Awards em 31 de janeiro de2010 com a cantora Kesha.
Justin abriu os shows da Fearless Tour da cantora country Taylor Swift no Reino Unido e fez uma pequena turnê de cinco shows no Canadá, patrocinada pela Urban Behavior. Bieber confirmou que irá viajar para sua primeira turnê completa em algum momento de 2010, e vai abrir novamente o show de Taylor Swift quando ela se apresentar no Gillette Stadium durante o concerto anual para o vencedor do prêmio CMA Entertainer of the Year. Justin foi convidado para participar como um dos vocalistas na regravação de "We Are The World" em benefício das vítimas do terremoto no Haiti, denominada "We Are the World 25 for Haiti", onde canta a primeira linha - originalmente de Lionel Richie. Ele também participou de outro projeto pela mesma causa, composto apenas por artistas canadenses, creditados como Young Artists for Haiti, que gravaram a canção "Wavin' Flag" de K'naan.
"Baby", o primeiro single do álbum My World 2.0, que apresenta uma participação de Ludacris, foi lançado em janeiro de 2010 e tornou-se o seu maior sucesso até agora, alcançando o top 10 em 7 países. Os singles seguintes, "Never Let You Go" e "U Smile" entraram no top 30 dos hits da Hot 100 dos EUA, e estiveram no top 20 do Canadá. Nos EUA, ele estreou no top 200 da Billboard tornando Justin o cantor solo mais jovem do sexo masculino a entrar nas tabelas desde Stevie Wonder, em 1963. Para promover o álbum, Justin apareceu em vários programas ao vivo, incluindo o The View, o Kids Choice Awards, Nightline e outros. Também houve uma colaboração de Sean Kingston no single "Eenie Meenie", que também apareceu no My World 2.0. A música alcançou o top 10 no Reino Unido e na Austrália. Em 10 de abril de2010, Bieber foi convidado para oSaturday Night Live. O segundo single do My Word 2.0, "Somebody to Love", foi lançado em abril de 2010, e depois um remix com a participação do mentor de Bieber, Usher foi lançado. Ele alcançou o top 15 nos EUA e Canadá.
Em 23 de junho de 2010, Justin continuou com sua turnê My World Tour, para promover o My World e o My World 2.0. Neste mesmo mês, seu videoclipe "Baby" superou o de Lady Gaga, "Bad Romance", e se tornou o mais visto em toda história do YouTube. Em setembro de 2010, foi relatado que de acordo com um funcionário do site de redes sociais Twitter, Justin representava três por cento de todos os usuários do microblog.
Bieber começou a gravar seu próximo álbum em julho de 2010 em Nova Iorque. Por causa de sua mudança de voz devido a puberdade, ela era mais grave do que era quando ele gravou seu álbum anterior. Em abril de 2010, o cantor falou sobre sua mudança de voz: "Como todo adolescente, eu estou lidando com isso e eu tenho o melhor treinador vocal de todo o mundo e sei que vou superar isso. Algumas das notas que eu alcançava antes, eu não estou conseguindo alcançar mais." O escritor e cantor britânico Taio Cruz, confirmou em julho de 2010 que estava escrevendo músicas para o próximo álbum de Justin. O produtor de Hip-Hop, Dr. Dre, produziu duas músicas para Justin mas não se sabe se elas foram feitas para o álbum.
Bieber foi um convidado especial em um episódio da temporada da série de televisão americana que foi ao ar em 23 de setembro de 2010, CSI: Crime Scene Investigation, onde interpretou Jason McCann, um adolescente problemático que se depara com uma difícil decisão a respeito de seu único irmão. Justin também participou de mais um episódio, que foi ao ar em 17 de fevereiro de 2011, em que seu personagem foi morto. Bieber fez uma performance de "U Smile", "Baby", "Somebody to Love" e brevemente tocou bateria em 12 de setembro de 2010. Justin anunciou em outubro de 2010 que iria lançar um álbum acústico chamado My Worlds Acoustic. O álbum foi lançado nos EUA contando com versões acústicas de seus álbuns anteriores, e acompanhou o lançamento do novo single "Pray".
