佟麗婭83年8月8日出生於新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣的一個藝術世家,佟麗婭從小就顯現出她的藝術天賦,尤其是舞蹈表演的個人特長。
佟麗婭六歲開始進入新疆伊寧市少兒藝術團進行舞蹈訓練和表演。十二歲表演了舞蹈《錫伯姑娘》。十七歲獲得了新疆舞蹈家協會的四級舞蹈考級教師資格。2001年9月,擔任錫伯族舞蹈《喜上眉梢》的女領舞並在這次匯演中獲得了表演三等獎的榮譽。
2002年佟麗婭獲得了首屆「新疆小姐」選美大賽亞軍和影視新人金獎;參加了中央電視臺《同一首歌》《秘境之旅》的文藝演出。2003年,參加了中央電視臺西部頻道《魅力西部》春節特別節目,表演了舞蹈《樓蘭姑娘》、《花兒為什麼這樣紅》、《瑪露夏》等;獲得了新疆藝術學院舞蹈專業的單項獎學金。仙氣十足、高貴典雅的佟麗婭就是一個活脫脫的樓蘭公主。
2004年,佟麗婭擔任中國歌舞團的舞蹈演員,在春節電視晚會上表演了維吾爾族獨舞《巴郎仔》、群舞《神秘面紗》等;以優異的成績被中央戲劇學院表演系本科表演專業錄取,成為了第一個考入中央戲劇學院表演專業的新疆錫伯族學生。
2005年,日本富士電視臺拍攝的記實專題片《追夢的人》對佟麗婭進行了專題介紹。
佟麗婭23歲時在中央戲劇學院大二出演了爾冬陞執導的現代情感劇《新不了情》,自此正式踏入影視領域;同年完成了個人的首部電影作品《葵花子》。第二年出演了《蝴蝶是自由的》,領銜主演了現代青春愛情劇《空巷子》,飾演了命運多舛的美麗女孩齊喬,還出演了現代緝毒劇《紅蠍子》。
2008年,佟麗婭與眾多藝人合作出演了古裝宮廷傳奇劇《母儀天下》,飾演了美豔絕倫且舞技超群的絕世美女趙飛燕 ,因此開始在影視領域嶄露頭角;隨後,出演了都市愛情勵志劇《我是一棵小草》、《鴛鴦河》《人活一張臉》。
2009年,佟麗婭出演了民國愛情倫理劇《娘妻》,《大屋下的丫鬟》《煙雨斜陽》《花腰女兒紅》《玫瑰餘香》。2010年,佟麗婭出演了古裝武俠劇《怪俠一枝梅》、《無懈可擊之美女如雲》、《我的經濟適用男》、《錯恨》。
2011年,佟麗婭主演的宮鬥穿越劇《宮鎖心玉》成為全國同時段電視劇收視冠軍,《歡喜婆婆俏媳婦》《紫宅》《唐宮美人天下》播出,從此佟麗婭在中國家喻戶曉。2012年,佟麗婭主演的現代都市愛情劇《北京愛情故事》播出,隨後主演《戀愛的那點事兒》《愛可以重來》《致我們終將逝去的青春》播出;發布了音樂處女作《只為你歌唱》。
2013年,佟麗婭主演了《唐山大地震》,《斷奶》獲得了第13屆華鼎中國百強電視劇最佳女演員獎、全國觀眾最喜愛的十大影視明星獎;發布了生日單曲《我們》;出演的《全民目擊》《產科醫生》播出,獲得了亞洲偶像盛典年度最具實力女演員的殊榮。2014年,主演電影《北京愛情故事》票房成績突破了4億人民幣;領銜主演《刀客家族的女人》《戀戀不忘》《酷爸俏媽》《大都市小愛情》3D戰爭動作片《智取威虎山》上映,在這一年的福布斯中國名人榜上位列第四十三名。
2015年,佟麗婭飾演《平凡的世界》女主角田潤葉,憑藉該角色拿下了第19屆華鼎獎中國當代題材電視劇最佳女演員、第28屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的女演員獎榮譽;參加了中央電視臺元宵晚會,表演了舞蹈《國色天香》,領銜主演《愛無痕》《謎城》《詭劫》。《唐人街探案》票房突破了8億人民幣。2016年,佟麗婭主演《奔愛》《驚天破》參加湖南衛視國防教育真人秀《真正男子漢第二季》,《遠大前程》中飾演了有勇有謀且頗具男性氣質的林依依。
2017年3月,佟麗婭被聘任為了中國電視藝術家協會演員工作委員會常務理事;出演的《超時空同居》創下了近9億人民幣國產電影年度票房前十,獲得第21屆上海國際電影節-電影頻道傳媒關注單元最受傳媒關注女主角,第17屆中國電影華表獎優秀女演員提名;後參加《星空演講》主題活動的冬季場, 主演《琅琊榜之風起長林》《鼠膽英雄》 ;在這一年的福布斯中國名人榜上位列第三十八。
2018年,佟麗婭以青年文藝工作者代表的身份參加了中國文聯春節聯歡晚會 ,獻唱了歌曲《春暖花開》;表演了開場歌舞《萬紫千紅中國年》;主演《不婚女王》《完美關係》,擔任了第13屆華語青年影像論壇的形象大使、第5屆中國好演員獎推薦團成員,並參加了獎項的啟動儀式;加盟奇幻動作片《刺殺小說家》;出席第17屆中國電影華表獎頒獎典禮,並表演了敦煌舞蹈;參演了《我們的四十年——慶祝改革開放40周年文藝晚會》,在晚會上與其他幾位演員共同朗誦了情景詩《偉大的覺醒》。
2020年,佟麗婭與佟大為搭檔主演了都市情感劇《愛的釐米》 ;她還與任魯豫、尼格買提·熱合曼、尹頌、張舒越共同擔任了中央廣播電視總臺春節聯歡晚會主會場的主持人;作為舞蹈領隊參加東方衛視全民舞蹈勵志競技節目《舞者》開播;與韓庚、何潤東、陳都靈聯袂主演的古裝傳奇劇《浣溪沙》開機 ,她飾演的女主角西施,天生麗質、傾城傾國,她是美的化身和代名詞,也是中國古代四大美女之首。