1984年8月8日，佟丽娅出生于新疆伊犁的一个艺术世家，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，五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，十一岁的佟丽娅随伊宁市少儿艺术团赴昆明演出舞蹈《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；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；2月，佟丽娅参加了新疆电视台的春节联欢晚会；同年，十六岁的佟丽娅便获得了新疆舞蹈家协会的四级舞蹈考级培训教师资格。
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；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；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；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。
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；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。
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；同年，佟丽娅以优异的成绩被中央戏剧学院表演系本科表演专业录取，同时也成为了第一个考入中央戏剧学院表演专业的新疆锡伯族学生；此外，她还担任了王宏伟《喀什噶尔女郎》音乐录影带的女主角。2005年，日本富士电视台拍摄的记实性电视专题片《追梦的人》对佟丽娅进行了专题介绍。
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，二人在大溪地举行婚礼。
2016年1月30日下午，佟丽娅在微博上晒出自己和宝宝、丈夫三个人的牵手照；同年5月8日，佟丽娅的首部图书作品《心花朵朵》问世，丈夫陈思成则为她作序，《心花朵朵》用活泼有爱的漫画，脑洞大开的小故事，还原了佟丽娅与陈思诚的恩爱日常和打打闹闹的快乐生活。
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