Bieber we wrześniu 2009 w Nintendo World Store
W 2009, podczas specjalnego, dorocznego koncertu Christmas in Washington, Justin Bieber wykonał utwór "Someday at Christmas" Steviego Wondera przed amerykańską parą prezydencką, czyli Prezydentem Barackiem Obamą i Pierwszą Damą Michelle Obamą. Bieber był jednym z prezenterów podczas 52. ceremonii rozdania Nagród Grammy, 31 stycznia 2010. Justin był również jednym z wokalistów, którzy nagrali remake utworu "We Are the World" w 25. rocznicę jego powstania, by wesprzeć ofiary trzęsienia ziemi na Haiti z 2010 roku. Bieber śpiewa w nim pierwszy wers, w oryginale wykonywany przez Lionela Richie. W marcu 2010 roku premierę miała wersja piosenki "Wavin' Flag" K'naana, którą nagrała grupa młodych kanadyjskich artystów – Young Artists for Haiti; wśród nich znalazł się między innymi Bieber.
"Baby", główny singel z debiutanckiego albumu studyjnego Justina, My World 2.0, został wydany w styczniu 2010 roku i osiągnął największy sukces w dotychczasowej twórczości wokalisty, plasując się na 5. miejscu Billboard Hot 100[25]. Według bazy Metacritic, album uzyskał "generalnie pozytywne oceny" od krytyków muzycznych[36]. My World 2.0 zadebiutował na szczycie Billboard 200, czyniąc Biebera najmłodszym artystą, który zajął 1. miejsce tejże listy od czasu Steviego Wondera w 1963 roku. Płyta up. Na My World 2.0 znalazł się między innymi utwór "Eenie Meenie", nagrany wspólnie z Seanem Kingstonem. Promując album, Bieber wystąpił w kilku programach telewizyjnych, włączając w to The View, 106 and Park i The Late Show with David Letterman, a także wystąpił na gali Kids Choice Awards
Justin Bieber podczas koncertu w Conseco Fieldhouse, w sierpniu 2010
23 czerwca 2010 roku Bieber wyruszył w swoją pierwszą trasę koncertową, My World Tour, promującą albumy My World i My World 2.0. W lipcu ogłoszono, że Justin Bieber był ówcześnie najczęściej wyszukiwaną postacią w Internecie. W tym samym miesiącu jego wideoklip do piosenki "Baby" wyprzedził "Bad Romance" Lady Gagi i stał się najczęściej oglądanym oraz najczęściej komentowanym filmem w historii YouTube. We wrześniu 2010 roku poinformowano natomiast, że 3% postów w serwisie Twitter poświęconych było Justinowi Bieberowi.
Bieber rozpoczął pracę nad materiałem na swój drugi album studyjny w Nowym Jorku, w lipcu 2010 roku. Swoje zaangażowanie w produkcję albumu wyraził wówczas brytyjski tekściarz i wokalista Taio Cruz. Justin Bieber pojawił się gościnnie w premierowym odcinku 11. serii serialu telewizyjnego CSI: Kryminalne zagadki Las Vegas, wyemitowanym 23 września 2010 roku; zagrał on ponadto w 15. odcinku tej serii, w którym jego postać została uśmiercona. 12 września . W październiku 2010 roku wokalista przyznał, że planuje wydać album akustyczny, My Worlds Acoustic. Płyta ukazała się w Stanach Zjednoczonych w Czarny Piątek i zawierała akustyczne wersje piosenek z wcześniejszych wydawnictw Biebera, a także nowy utwór – "Pray"

