2000年，佟丽娅参加了文化部春节联欢晚会舞蹈表演。2002年，佟丽娅获得首届新疆小姐大赛亚军、全国影视新人选拔大赛金奖。
2004年，佟丽娅又参加了中央电视台的春节联欢晚会舞蹈表演。
2006年，学生时期的佟丽娅因出演尔冬升执导的情感剧《新不了情》而正式出道演艺圈。
2008年，佟丽娅因在古装剧《母仪天下》中饰演赵飞燕而广受好评。
2011年，佟丽娅在热播剧《宫锁心玉》中饰演了“年素言”；同年，佟丽娅义务出任了锡伯族形象大使。2012年，佟丽娅在爱情剧《北京爱情故事》中饰演了女主角“沈冰”，剧中饰演的“年素言”和“沈冰”让人眼前一亮。2013年，佟丽娅凭借在多部影视剧中的不俗表现获得亚洲偶像盛典年度最具实力女演员大奖；同年主演电视剧《恋恋不忘》，扮演角色“吴桐”，并担任第四届中国大学生电视节形象大使；主演电影版《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婚礼；《北京爱情故事》于情人节上映斩获4亿票房；同年主演徐克导演《智取威虎山》，饰演“白茹”；主演林岭东导演作品《暴走迷城》；2014年中国福布斯名人榜佟丽娅位列43名。
