1983年8月8日，佟丽娅出生于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县的一个艺术世家，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。
1989年，六岁的佟丽娅开始进入新疆伊宁市少儿艺术团进行舞蹈训练和表演。
1995年8月，十二岁的佟丽娅随伊宁市少儿艺术团赴昆明演出，并表演了舞蹈《锡伯姑娘》。
1996年9月，佟丽娅进入新疆艺术学院附中舞蹈系舞蹈表演专业学习。
1997年7月，她参加了新疆自治区迎香港回归文艺晚会的演出。
1999年9月，佟丽娅赴北京参加了建国50周年庆典阅兵式新疆彩车表演，并最终获得了优秀贡献奖的荣誉。
2000年，以优异成绩毕业的佟丽娅被分配到新疆歌舞团担任舞蹈演员；2月，佟丽娅参加了新疆电视台的春节联欢晚会。
随后，她还考入了新疆艺术学院舞蹈学院舞蹈教育专业，并利用业余时间担任电视广告和摄影模特，以及在新疆丽燕舞蹈学校、乌鲁木齐市青少年宫担任舞蹈教师。
2001年3月，佟丽娅被借调到马兰基地参加总装备部文艺调演；随后，她还赴山东潍坊进行了近三个月的实习演出。
2001年6月，佟丽娅参与了香港卫视中文台申奥宣传片的拍摄；9月，她跟随新疆歌舞团参加了全国少数民族文艺汇演，并担任锡伯族舞蹈《喜上眉梢》的女领舞，最终她则在这次汇演中获得了表演三等奖的荣誉。
2002年6月，佟丽娅参加了首届“新疆小姐”选美大赛，而她在比赛中则获得了亚军的不俗成绩。随后，她还参加了全国影视新人选拔大赛，并最终在比赛中获得了金奖的荣誉。
2003年1月，佟丽娅参加了中央电视台西部频道《魅力西部》春节特别节目，并在节目中表演了舞蹈《楼兰姑娘》、《花儿为什么这样红》、《玛露夏》等。
2004年，佟丽娅被中国歌舞团录用，担任旗下的舞蹈演员，而她则在这一年的文化部春节电视晚会上表演了维吾尔族独舞《巴郎仔》、群舞《神秘面纱》等。
2005年2月，她随新疆艺术学院青年艺术团赴香港进行了演出活动；随后，佟丽娅还获得了新疆艺术学院舞蹈专业的单项奖学金。
2006年，佟丽娅因出演情感剧《新不了情》而踏入演艺圈。
2007年8月，佟丽娅随中央电视台《同一首歌》节目参加了一系列的文艺演出。
2008年，她因在古装剧《母仪天下》中饰演赵飞燕而崭露头角。
2009年10月，佟丽娅被借调到中国歌舞团一分团近半年，在此期间她则参加了歌舞节目《秘境之旅》的演出。
2010年开始，佟丽娅凭借穿越剧《宫锁心玉》、爱情剧《北京爱情故事》获得更多关注 ，并义务出任锡伯族形象大使。
2011年，佟丽娅担任了一心一益”公益创意大赛“的爱心大使” ；同年，她还开始义务出任“锡伯族形象大使。2012年9月1日，佟丽娅参加时尚芭莎慈善夜十周年庆典，为慈善献力献爱心。
2013年，其主演的爱情片《超时空同居》则位居国产电影年度票房前十，她也凭借该片获得了第17届中国电影华表奖优秀女演员提名。
2014年，她凭借家庭剧《断奶》获得第13届华鼎奖中国百强电视剧最佳女演员奖。
2015年，佟丽娅凭借现代剧《平凡的世界》获得第19届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳女演员和第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖。
2016年7月，湖北遭受特大暴雨，佟丽娅、陈思成夫妇向湖北灾区捐款100万元，帮灾区人民度过难关。同时也希望社会各界关心湖北灾情，众志成城战胜这次自然灾害。
2017年3月5日，上海，佟丽娅亮相Max Factor品牌活动。
2018年，佟丽娅获得了“中国电视好演员”绿宝石女演员奖。
2018年4月15日，北京，佟丽娅出席电影《超时空同居》发布会。
2018年4月18日，上海，佟丽娅出席相宜本草发布会。
2019年3月26日，佟丽娅在上一年度的中国慈善名人榜中位列第19。
2019年4月28日，佟丽娅获得了北京大学生电影节最受欢迎女演员奖。
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