En enero de 2010 publicó «Baby>>

En enero de 2010 publicó «Baby», el primer sencillo de My World 2.0 —continuación de My World—, y donde canta junto a Ludacris. La canción se convirtió en su mayor éxito hasta el momento, ya que se ubicó en la quinta posición de la lista de sencillos más escuchados en los Estados Unidos y alcanzó las primeras diez posiciones en siete países. Los sencillos digitales «Never Let You Go» y «U Smile» alcanzaron las primeras treinta posiciones en la lista estadounidense Billboard Hot 100 y en Canadá alcanzaron las primeras veinte posiciones de éxitos.³⁵ De acuerdo a Metacritic el álbum recibió «por lo general críticas favorables».³⁶
El 23 de junio de 2010 inició una gira musical para promover My World y My World 2.0. La serie de conciertos empezó desde la ciudad de Hartford, Connecticut y concluirá en Río de Janeiro, Brasil.^{37 38} En julio de 2010 se reportó que era la celebridad más buscada en Internet.^{39 40} Ese mes su video musical «Baby» fue el más visto en YouTube y también fue el más desfavorecido por el público, de hecho superó el número de visitas del video «Bad Romance» de Lady Gaga.⁴¹ En septiembre de 2010 un empleado de Twitter indicó que Bieber era el responsable del tres por ciento del tráfico total del sitio.⁴²
Mientras promocionaba su álbum, Justin fue programado para aparecer en el Roosevelt Field Mall, pero la actuación tuvo que ser cancelada, debido a que una multitud de más de 3.000 fanáticos comenzaron a empujarse agresivamente.⁴³
También debutó como actor en el popular drama, CSI, donde interpretó a Jason McCann, un chico problemático que debe tomar una importante decisión respecto a su hermano.⁴⁴ El 12 de septiembre de 2010 fue galardonado en los MTV Video Music Awards como el mejor artista revelación