En 2009 comenzó a promocionarse en su país natal con el lanzamiento de su primer extended play ‘An Introduction to Ellie Goulding’ y su respectivo primer sencillo Under the Sheets. Posteriormente, lanzó simultáneamente Starry Eyed. Este último se ubicó en una de las cinco primeras posiciones del UK Singles Chart Su primer álbum de estudio Lights debuto en el #1 del UK Album Charts. Los dos sencillos que le siguieron, Guns and Horses y The Writer, no pudieron lograr los diez primeros en el Reino Unido.

Tras su participación en el iTunes Festival de 2010, publicó un EP con las canciones en vivo que interpretó y además Run Into the Light.

Debido el poco tiempo que tuvo para trabajar en un nuevo disco, Ellie lanzó una re-edición de Lights llamada Bright Lights, con una versión de Your Song y un nuevo tema Lights como sencillos principales. El primero de estos ubicó la segunda posición en el Reino Unido, mientras que el segundo la cuadragésima novena. A pesar de esto, Lights se convirtió en un éxito en Norteamérica, ya que alcanzó la segunda posición en los Estados Unidos y la séptima en Canadá. Además, vendió más de tres millones de copias en el primero de estos.

Gracias a todo el éxito que tuvo en 2010, Ellie recibió dos nominaciones a los premios Brit de 2011, aunque no resultó ganadora en ninguna de ellas. Igualmente, ganó un Glamour Award a la revelación del año.

En mayo, debutó en la televisión estadounidense cantando en el programa Saturday Night Live. Más tarde, Ellie colaboró con Skrillex en una canción de Bangarang

Durante el resto del año, siguió participando en distintos festivales y promocionando Lights en los Estados Unidos y Canadá. Además, Ellie reemplazó a Jessie J como telonera del California Dreams Tour de Katy Perry luego de que esta se lesionase la pierna.

A principios de 2012, Ellie se mantuvo trabajando en su segundo álbum de estudio. Luego, en abril, dijo que esperaba que se lanzase para octubre de ese año. En julio de ese año, lanzó Hanging On, una versión de Active Child, como sencillo promocional. El mismo mes reveló que su siguiente disco llevaría por nombre Halcyon y su primer sencillo era Anything Could Happen el cual, sería lanzado en pocas semanas. La canción pudo alcanzar la quinta posición del UK Singles Chart, además de haber sido certificada platino en los Estados Unidos tras vender un millón de copias. Halcyon debutó como número dos en el UK Albums Chart, solo detrás de Babel de Mumford & Sons.

A finales de el 2012, lanzó una canción titulada Bittersweet, producida por Skrillex, la cual, fué Soundtrack de The Twilight Saga: Breaking Dawn Part 2.

Para comenzar el 2013, se lanzó Explosions como tercer y último sencillo de Halcyon. Este solo alcanzó la posición trece en el Reino Unido.

Meses después, en febrero, se anunció que Ellie sería telonera de Bruno Mars en su Moonshine Jungle Tour.

En abril, Calvin Harris lanzó su colaboración con la cantante, I Need Your Love. La canción se convirtió en un éxito alrededor de Europa y Oceanía, ya que logró las primeras diez posiciones en Australia, Austria, Suecia, el Reino Unido, Finlandia, Suiza, Bélgica y Francia, mientras que en otros territorios como Canadá, los Estados Unidos, Dinamarca, Noruega e Italia ubicó los veinte primeros.

Al igual que con Lights, Ellie lanzó una reedición de Halcyon llamada Halcyon Days, de la cual fue seleccionada Burn como primer sencillo. Este se convirtió en el primer número uno de la cantante en el UK Singles Chart, además que entró a los diez primeros en Australia, Finlandia, Alemania, Noruega, Nueva Zelanda y Austria.