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。
佟丽娅1984年出生于新疆伊犁的艺术世家，父母均从事艺术教育，从小佟丽娅就表现出了对艺术，尤其是对舞蹈表演艺术的热爱。1996年，佟丽娅就读于新疆艺术学院附中舞蹈系舞蹈表演专业，2000年就读于新疆艺术学院舞蹈教育专业。佟丽娅的舞蹈风格灵动优美，多次被选中代表新疆地区进京比赛演出，也让佟丽娅与北京结下不解之缘。2004年，佟丽娅参加文化部春节联欢晚会，以一支新疆独舞技惊四座，同年，佟丽娅考入中央戏剧学院就读表演系本科班。
2006年，佟丽娅大二时出演由尔冬升执导的电视剧《新不了情》，凭借剧中“李再爱”一角的清丽表现，获得好评，自此正式出道。 。
2008年，在电视剧《母仪天下》中佟丽娅出演剧中的“赵飞燕”一角。佟丽娅凭借扎实的舞蹈功底和演技成功塑造了“赵飞燕”一角，饰演古装造型。同年，在生活剧《我是一棵小草》中，佟丽娅饰演岳小梅。
2009年，佟丽娅又出演了《人活一张脸》，《大屋下的丫鬟》，《烟雨斜阳》三部电视剧。
2010年，佟丽娅首次搭档霍建华，在《怪侠一枝梅》饰演荆如忆。在电视剧《无懈可击之美女如云》饰演姚辉。在《我的经济适用男》饰演何小君。
2011年，《唐宫美人天下》饰演舞倾城。佟丽娅在《美人天下》中再次扮演擅长歌舞的舞倾城。佟丽娅搭档杨幂、冯绍峰在《宫锁心玉》饰演层次丰富，舞艺精湛的“年素言”。“年素言”原名佟素言，其历史原型是雍正皇帝的敦肃皇贵妃年氏。2011年，佟丽娅与飞轮海成员汪东城共同主演了她的首部大银幕作品，悬疑爱情惊悚片《紫宅》。同年在电视剧《梦回唐朝》中客串饰演反面角色“陶美人”。
2012年，佟丽娅在电视剧《北京爱情故事》中饰演沈冰，被网友称为“最理想的模范女友”。在电视剧《恋爱的那点事儿》中饰演于湖新。 ，与杜淳饰演一对情侣。 在《爱可以重来》中，佟丽娅饰演的女主角陆嘉亮 。11月21日，佟丽娅在微博上首发音乐处女作《只为你歌唱》，发布爱情宣言。
2013年，担任第四届“中国大学生电视节”形象代言人。 1月，
在电视剧《刀客家族的女人》饰演葛大妮。 在电视剧《唐山大地震》中饰演女一号万小灯。 在小说改编电影《致我们终将逝去的青春》饰演施洁。
2013年8月，在电视剧《80婚约》中佟丽娅饰演苏劲。 在电视剧《王的女人》中佟丽娅客串出演了海天的嫔妃吴美人。 8月8日，佟丽娅发布了《我们》这首歌曲，并写道：“这首歌是我的小伙伴送我的生日大礼，它唱出了我们的友谊，也许也唱出了你的心声。《我们》由佟丽娅、张蓓妮、刘迪妮、马晓鸥、马岚、张帆演唱。 在《断奶》中饰演安琪一角。 在《全民目击》中饰演李晓妮，剧中扮演的是由邓家佳饰演的林萌萌的老师，由郭富城饰演的检察官童涛的女友。 10月主演《产科医生》， 片中饰演女主角何晶。 因为主演必须在剧中进行专业的产科手术，为了使演绎起来更加专业、自然，佟丽娅也进产房观摩了3场真实的顺产手术。
2014年7月24日《产科医生》登陆北京卫视、山东卫视。 佟丽娅在电视剧《恋爱的那点事儿》中出演女主角“亚熟女”于湖新 。在电视剧《恋恋不忘》中扮演女主角吴桐，与言承旭饰演的霸道总裁上演爱情故事。 。8月27日，荣获第13届华鼎中国百强电视剧发布盛典最佳女演员奖 ;并同时获得十位全国观众最喜爱的影视明星奖 。
1995年8月，随伊宁市少儿艺术团赴昆明演出《锡伯姑娘》；
1997年7月，参加自治区迎香港回归大型文艺晚会演出；
1999年9月，赴北京参加建国50周年庆典阅兵式-新疆彩车表演，荣获优秀贡献奖；
2000年2月，参加新疆电视台春节联欢晚会；
王宏伟MV女主角2002年8月，随中央电视台参加《同一首歌》文艺演出；
2001年3月，借调马兰基地参加总装备部文艺调演；
2001年3月-5月，赴山东潍坊实习演出；
2001年6月，与香港卫视中文台拍摄申奥宣传片；
2001年9月，借调新疆歌舞团，参加全国少数民族文艺汇演，担任锡伯族舞蹈《喜上眉梢》女领舞，获得表演三等奖；
2002年6月，获得首届《新疆小姐》大赛亚军；
2002年10月-2003年3月，借调中国歌舞团一分团参加大型歌舞《秘境之旅》演出；
2003年元月，参加中央电视台西部频道《魅力西部》春节特别节目，演出舞蹈《楼兰姑娘》、《花儿为什么这样红》、《玛露夏》等；
2003年2月，随新疆艺术学院青年艺术团赴香港演出；人比花娇，她在丛中笑。
2003年，获得新疆艺术学院舞蹈专业单项奖学金；
2004年，被中国歌舞团录用担任舞蹈演员，参加文化部2004年春节电视晚会，表演维吾尔族独舞《巴浪子》、群舞《神秘面纱》等。
2004年、拍摄王宏伟独唱MTV《喀什噶尔女郎》，担任女主角。
2004年，以优异成绩被中央戏剧学院表演系本科表演专业录取，成为第一个考入中国戏剧学院表演专业的新疆锡伯族。
2005年，日本富士电视台拍摄记实性电视专题片《追梦的人》，进行专题介绍。
2012年3月17日，佟丽娅与陈思诚在湖南卫视《快乐大本营》中公布恋情。2014年1月16日，陈思诚与佟丽娅二人在大溪地举行婚礼
2012年9月1日，参加时尚芭莎慈善夜十周年庆典，为慈善献力献爱心 。
2013年4月20日，420芦山强烈地震后，通过基金会为芦山地震灾区捐款 ;4月28日，参加在四川卫视现场直播的“中国爱·420芦山强烈地震大型公益特别节目”中，为灾区祈福 。
2013年7月参加了《公益中国》的节目录制。她先去看望了远在关爱中心的智障与伤残儿童，还在现场作为致辞人讲述嘉宾故事并参与互动访谈。同时，她希望通过此次活动呼吁大家都能参与到献爱心中来，让她们能获得更多帮助。并现场捐款5万。9月佟丽娅发起捐助音乐教育培训基地 ;之后，佟丽娅参加了由共青团青海省委、青海省青少年发展基金会联合主办的“我的中国梦”希望工程音乐教育公益活动在青海省西宁市拉开帷幕，演员佟丽娅百忙之余不忘投身公益，专程飞赴西宁，发起捐助西部地区首个音乐教育培训基地，并获封“青海省希望工程爱心大使”。她探访西部地区小学，为孩子们带去学习和生活必需品;担任代课老师，为孩子们建立爱心图书馆;资助贫困儿童，并利用自己在微博平台的强大号召力，呼吁大家多多参与关注儿童艺术教育的公益活动，奉献爱心;同年9月，佟丽娅出席联合国妇女署公益合作发布会(是与联合国妇女署深度合作的首位演员)，与珀莱雅携手服务于女性公益和性别平等的项目 。
佟丽娅还在大学就读时便被誉为中央戏剧学院2004
级的校花 。2011年佟丽娅义务担任锡伯族形象大使，并以实际行动为传承锡伯族古老的民族文化而一直努力着 。佟丽娅是一个美丽的锡伯族姑娘 ，也是一个对艺术有着浓厚的兴趣和执着的追求，勤奋、刻苦，不言放弃的人 。
佟丽娅因出演古装剧《宫》中的佟素言一角，而在内地走红被誉为2011年的当红花旦 ，并与杨幂、唐嫣、刘诗诗并称新四大古装美女 。从五官上看，佟丽娅的脸蛋也是无可挑剔 。大眼睛、高鼻子、瓜子脸，还有两个小酒窝，隐约可见的小虎牙笑起来更是添了几分可爱。并被誉为360度无死角美女 。佟丽娅有着古典美人的意味，柳眉素肌，玲珑剔透，有着一份纯净的美(南都娱乐周刊评 )。佟丽娅的荧屏形象大多是甜美可人的“花旦”，在西北长大的她，更喜欢“金刚芭比”这个称号 (山东商报评)。
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