这一票房成绩在2010年中国电影市场具有标志性意义。当时全国总票房刚突破100亿元大关，该片以3%的占比跻身年度票房榜第四名，仅次于《阿凡达》《让子弹飞》《唐山大地震》。作为古装悬疑类型片，其票房表现远超同题材作品，证明了中国奇幻武侠题材的商业潜力。
影片在技术层面的突破成为票房助推力。全片采用2D转3D技术处理，虽未达到原生3D效果，但在当时开创了国产大片技术革新的先河。1600个特效镜头构建的"通天浮屠"、鬼市等场景，成为吸引观众走进影院的视觉奇观，3D版本票房占比达40%以上。
市场表现方面，影片上映首周票房突破1.5亿元，连续三周占据周票房冠军位置。在全国2800块银幕中，最高单日排片量达2.3万场，创下当时国产电影排片纪录。除内地市场外，影片在香港收获2543万港元票房，全球总票房约合5000万美元，成为当年海外发行最成功的华语电影之一。
作为系列开篇，《狄仁杰之通天帝国》的票房成功直接促成后续作品开发。该系列目前已推出《神都龙王》《四大天王》两部续作，累计票房突破15亿元，形成华语电影市场少有的IP品牌效应。3.06亿元的初代票房，不仅奠定了"狄仁杰"IP的商业价值，更推动了中国电影工业化制作水准的提升。