2002年获得首届新疆小姐大赛亚军、全国影视新人选拔大赛金奖，2000年、2004年先后参加文化部和中央电视台的春节联欢晚会舞蹈表演，2008年毕业于中央戏剧学院表演系本科班。2011年5月义务出任锡伯族形象大使。在 2013年度亚洲偶像盛典凭借《唐山大地震》《断奶》等，获得了年度“最具实力女演员”大奖。2013年，佟丽娅在福布斯中国名人榜上排名第79名，担任第四届中国大学生电视节形象大使。2013年参与拍摄电影版《北京爱情故事》。2014年1月16日，陈思诚与佟丽娅在大溪地举行了甜蜜浪漫的婚礼。