Justin Bieber 2.0

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. De acuerdo a Metacritic el álbum recibió «por lo general críticas favorables». El álbum también debutó en primera posición en la lista Billboard 200 de los Estados Unidos, lo que convirtió a Bieber en el solista masculino más joven en liderar la lista desde que Stevie Wonder se posicionase en primer lugar en 1963.

 De la misma forma, My World 2.0 debutó en primera posición en las listas oficiales de ventas de álbumes de Canadá, Irlanda, Australia y Nueva Zelanda,  y alcanzó las primeras diez posiciones en otros quince países. Para promocionar su álbum se presentó en varios programas en directo como The View, en la entrega de premios Nickelodeon's Kid's Choice Awards de 2010, Nightline, Late Show with David Letterman, The Dome y 106 & Park.

 También contó con la colaboración de Sean Kingston en el sencillo «Eenie Meenie», el cual fue incluido en su primer álbum. La canción alcanzó las primeras diez posiciones en las listas de éxitos del Reino Unido y Australia, y las primeras veinte posiciones en algunos países.

El 10 de abril de 2010 participó en calidad de artista invitado en el programa Saturday Night Live. El 4 de julio de ese mismo año, con motivo de la celebración del Día de la Independencia de los Estados Unidos, dio un concierto en el espectáculo de fuegos artificiales de la tienda por departamentos Macy's en Nueva York, donde interpretó «Baby» y «Somebody to Love». El segundo sencillo de su álbum My World 2.0, titulado «Somebody to Love», fue publicado en abril junto con una remezcla de la misma canción en la que contó con la participación del cantante Usher. El sencillo alcanzó la décima posición en las listas musicales de Canadá, en los Estados Unidos llegó a la decimoquinta posición y en algunos países se ubicó en las veinte primeras posiciones.

El 23 de junio de 2010 inició una gira musical para promover My World y My World 2.0. La serie de conciertos conformada por 140 presentaciones empezó en la ciudad de Hartford,Connecticut. En julio de 2010 se reportó que era la celebridad más buscada en Internet. 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. En septiembre de 2010 un empleado de Twitter indicó que Bieber era el responsable del tres por ciento del tráfico total del sitio.

En julio de 2010 empezó a grabar su segundo álbum en la ciudad de Nueva York. En aquel momento, debido a la pubertad, su voz era más grave y profunda en comparación de cuando grabó su primer disco. En una declaración del artista en abril de 2010 sobre su registro vocal, dijo «Creo que a todo el mundo le cambia la voz. Tengo un gran entrenador vocal que me está ayudando. Algunas de las notas que alcanzaba en «Baby» ya no las puedo alcanzar más. Tenemos que bajar la tonalidad cuando canto en directo». El cantante y compositor británico Taio Cruz confirmó en julio de 2010 que estaba componiendo canciones para el próximo álbum de Bieber.

El 12 de septiembre de 2010 fue galardonado en los MTV Video Music Awards como artista revelación e interpretó un popurrí de canciones que contenía los temas «U Smile», «Baby» y «Somebody to Love», además de que tocó brevemente la batería.

Al mes siguiente anunció que publicaría un álbum acústico titulado My Worlds Acoustic, el cual finalmente salió a la venta el Viernes Negro en los Estados Unidos. El álbum contiene versiones acústicas de sus canciones de discos anteriores y una canción nueva titulada «Pray».

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.