1983年8月8日，佟麗婭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，父母均從事藝術教育，從小佟麗婭就表現出了對藝術，尤其是對舞蹈表演藝術的熱愛。
1989年，六歲的佟麗婭開始進入新疆伊寧市兒童藝術團進行舞蹈訓練和表演。
1995年8月，十二歲的佟麗婭隨伊寧市兒童藝術團赴昆明演出，並表演了舞蹈《錫伯姑娘》。
1996年9月，佟麗婭進入新疆藝術學院附中舞蹈系舞蹈表演專業學習。
1997年7月，她參加了新疆自治區迎香港回歸文藝晚會的演出。
1999年9月，佟麗婭赴北京參加了建國50週年慶典閱兵式新疆彩車錶演，並最終獲得了優秀貢獻獎的榮譽。
2000年，以優異成績畢業的佟麗婭被分配到新疆歌舞團擔任舞蹈演員；2月，佟麗婭參加了新疆電視台的春節聯歡晚會。
隨後，她也考入了新疆藝術學院舞蹈學院舞蹈教育專業，並利用業餘時間擔任電視廣告和攝影模特，以及在新疆麗燕舞蹈學校、烏魯木齊市青少年宮擔任舞蹈教師。
2001年3月，佟麗婭被借調到馬蘭基地參加總裝備部文藝調演；隨後，她還赴山東濰坊進行了近三個月的實習演出。
2001年6月，佟麗婭參與了香港衛視中文台申奧宣傳片的拍攝；9月，她跟隨新疆歌舞團參加了全國少數民族文藝匯演，並擔任錫伯族舞蹈《喜上眉梢》的女領舞，最終她則在這次匯演中獲得了表演三等獎的榮譽。
2002年6月，佟麗婭參加了第一屆「新疆小姐」選美大賽，而她在比賽中則獲得了亞軍的不俗成績。隨後，她也參加了全國影視新人選拔大賽，並最終在比賽中獲得了金獎的榮譽。
2003年1月，佟麗婭參加了中央電視台西部頻道《魅力西部》春節特別節目，並在節目中表演了舞蹈《樓蘭姑娘》、《花兒為什麼這樣紅》、《瑪露夏》等。
2004年，佟麗婭被中國歌舞團錄用，擔任旗下的舞蹈演員，而她則在這一年的文化部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。
2005年2月，她隨新疆藝術學院青年藝術團赴香港進行了表演活動；隨後，佟麗婭也獲得了新疆藝術學院舞蹈專業的單一獎學金。
2006年，佟麗婭因演出情感劇《新不了情》而踏入演藝圈。
2007年8月，佟麗婭隨中央電視台《同一首歌》節目參加了一系列的文藝演出。
2008年，她因在古裝劇《母儀天下》中飾演趙飛燕而嶄露頭角。
2009年10月，佟麗婭被借調到中國歌舞團一分團近半年，在此期間她則參加了歌舞節目《祕境之旅》的演出。
2010年開始，佟麗婭憑藉穿越劇《宮鎖心玉》、愛情劇《北京愛情故事》獲得更多關注 ，並義務出任錫伯族形像大使。
2011年，佟麗婭擔任了一心一益」公益創意大賽「的愛心大使」 ；同年，她也開始義務出任「錫伯族形像大使。 2012年9月1日，佟麗婭參加時尚芭莎慈善夜十週年慶典，為慈善獻力獻愛心。
2013年，其主演的愛情片《超時空同居》則位居國產電影年度票房前十，她也憑藉該片獲得了第17屆中國電影華表獎優秀女演員提名。
2014年，她以家庭劇《斷奶》獲得第13屆華鼎獎中國百大電視劇最佳女星獎。
2015年，佟麗婭以現代劇《平凡的世界》獲得第19屆華鼎獎中國當代主題電視劇最佳女演員和第28屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的女演員獎。
2016年7月，湖北遭受大暴雨，佟麗婭、陳思成夫婦向湖北災區捐款100萬元，幫災區人民度過難關。同時也希望社會各界關心湖北災情，眾志成城戰勝這次天災。
2017年3月5日，上海，佟麗婭亮相Max Factor品牌活動。
2018年，佟麗婭獲得了「中國電視好演員」綠寶石女演員獎。
2018年4月15日，北京，佟麗婭出席電影《超時空同居》發表會。
2018年4月18日，上海，佟麗亞出席相宜本草發表會。
2019年3月26日，佟麗婭在上一年的中國慈善名人榜中排名第19。
2019年4月28日，佟麗婭獲得了北京大學生電影節最受歡迎女演員獎。