早年經歷
佟麗婭1984年出生於新疆伊犁的藝術世家，父母均從事藝術教育，從小佟麗婭就展現了對藝術，尤其是對舞蹈表演藝術的熱愛。 1996年，佟麗婭就讀新疆藝術學院附中舞蹈系舞蹈表演專業，
2000年就讀新疆藝術學院舞蹈教育專業。佟麗婭的舞蹈風格靈動優美，多次被選中代表新疆地區進京比賽演出，也讓佟麗婭與北京結下不解之緣。
2004年，佟麗婭參加文化部春節聯歡晚會，以一支新疆獨舞技驚四座，同年，佟麗婭考入中央戲劇學院就讀表演系本科班。
演藝經驗
2006年，佟麗亞大二時出演由爾冬升執導的電視劇《新不了情》，憑藉劇中「李再愛」一角的清麗表現，獲得好評，自此正式出道。
2007年，佟麗婭出演了中央戲劇學院的現代話劇《蝴蝶是自由的》；同年，她還領銜主演了現代青春愛情劇《空巷子》，並在劇中飾演了命運多舛的美麗美麗女孩齊喬而這也是佟麗亞首次在影視劇中擔任女主角；此外，佟麗婭也出演了現代緝毒劇《紅蠍子》
2008年，在電視劇《母儀天下》中佟麗婭出演劇中的「趙飛燕」一角。佟麗婭憑藉著紮實的舞蹈功底和演技成功地塑造了「趙飛燕」一角，飾演古裝造型。同年，在生活劇《我是一棵小草》中，佟麗亞飾演岳小梅。
2009年，佟麗亞又出演了《人活一張臉》，《大屋下的女僕》，《煙雨斜陽》三部電視劇。
2010年，佟麗亞首次搭檔霍建華，在《怪俠一枝梅》中飾演荊如憶。在電視劇《無懈可擊之美女如雲》飾演姚輝。在《我的經濟適用男》飾演何小君。
2011年，《唐宮美人天下》飾演舞傾城。佟麗亞在《美人天下》中再次扮演擅長歌舞的舞傾城。佟麗亞搭檔楊冪、馮紹峰在《宮鎖心玉》飾演層次豐富，舞藝精湛的「年素言」。 「年素言」原名佟素言，其歷史原型為雍正皇帝的敦肅皇貴妃年。 2011年，佟麗婭與飛輪海成員汪東城共同主演了她的首部大銀幕作品，懸疑愛情驚悚片《紫宅》。同年在電視劇《夢回唐朝》中客串飾演反面角色「陶美人」。
2012年，佟麗婭在電視劇《北京愛情故事》中飾演沈冰，被網友稱為「最理想的模範女友」。在電視劇《戀愛的那點事兒》中飾演於湖新。與杜淳飾演一對情侶。在《愛可以重來》中，佟麗婭飾演的女主角陸嘉亮。 11月21日，佟麗婭在微博上首發音樂處女作《只為你歌唱》，發布愛情宣言。
《北京愛情故事》劇照
《宮鎖心玉》劇照
2015年受邀參加央視春晚，表演節目《國色天香》，2月16日，節目因故被撤 。 2月26日，路遙同名小說改編的電視劇《平凡的世界》首播，佟麗婭飾演「新時代新女性的代表者」田潤葉 。同年3月4日，在中央電視台元宵晚會上，表演舞蹈《國色天香》 ，搭檔演員秦嵐、馬蘇、王麗坤共同出演 。 4月13日，佟麗婭主演的都市輕喜劇《酷爸俏媽》上星首播，劇中扮演雙面性格的叛逆少女小穎 。佟麗亞主演的《謎城》將於7月30日上映。 美國戴維斯影展開幕影展影片《詭劫》片方宣布，本片定檔2015年8月28日上映，本片由佟麗婭、立威廉主演 。
2017年，佟麗婭與張魯一搭檔主演熱血抗戰劇《愛國者》，她在劇中飾演的則是天真爛漫又信仰堅定的革命戰士舒婕；9月8日，佟麗婭主演的現代奇幻喜劇片《超時空同居》開機；而在這一年的福布斯中國名人榜中她則位列第三十八。 10月，參演諜報《天衣無縫》，在劇中飾演於太太。
2019年1月1日，獲2018國劇盛典觀眾喜愛角色人物獎。 1月10日，參演的電視劇《天衣無縫》播出，在劇中飾演於太太。 1月17日，參加百花迎春《中國文學藝術界2019春節大聯歡》。 3月5日，參加首屆學雷鋒志工主題宣傳特別節目《文明之光 志願中國》。 4月，參演的電視劇《碧海丹心》殺青，在劇中飾演高大霞。 4月28日，獲第26屆大學生電影節大學生特別榮譽單元最受歡迎女星獎。 2019年，參演電視劇《我在未來等你》在愛奇藝播出，在劇中飾演成年版的微笑。 6月16日，獲2019微博電影之夜微博最受期待喜劇CP。 7月，參演電視劇《槓桿》。 7月13日，參加綜藝節目《快樂大本營》。 8月2日，參演的電影《鼠膽英雄》上映，在劇中飾演杜卿。 10月1日，參演的電影《我和我的祖國》上映。
個人生活
2012年3月17日，佟麗婭與陳思誠在湖南衛視《快樂大本營》中公佈戀情。
2014年1月16日，陳思誠與佟麗亞二人在大溪地舉行婚禮。
2015年10月21日，陳思誠發微博證實佟麗婭懷孕。
2016年1月30日下午，佟麗婭在微博上曬出自己和寶寶、丈夫三個人的牽手照，隨後，陳思誠也轉發微博道：「朵朵，今後是咱爺倆保護媽媽~」。同年5月8日，佟麗婭的首部圖書作品《心花朵朵》問世，丈夫陳思成則為她作序，《心花朵朵》用活潑有愛的漫畫，腦洞大開的小故事，還原了佟麗婭與陳思誠的恩愛日常和打打鬧鬧的快樂生活。
社會活動
2012年9月1日，參加時尚芭莎慈善夜十週年慶典，為慈善奉獻愛。
2013年4月20日，420蘆山強烈地震後，透過基金會為蘆山地震災區捐款；4月28日，參加在四川衛視現場直播的「中國愛·420蘆山強烈地震大型公益特別節目」中，為災區祈]。
2013年7月參加了《公益中國》的節目錄製。她先去探望了遠在關懷中心的智障與傷殘兒童，並現場捐款5萬。 9月佟麗婭發起捐助音樂教育培訓基地；同年9月，佟麗婭出席聯合國婦女署公益合作發布會（是與聯合國婦女署深度合作的首位演員），與珀萊雅攜手服務於女性公益和性別平等的計畫。
2015年6月15日，佟麗婭出席了《星光上海—華誼ELLE之夜》五週年慶典活動；7月，她還出席了由「時尚芭莎」和UN'SI吾思聯合發起的「公益星設計」第二季，並作為該計畫活動大使現身啟動儀式，並與眾女藝人一同上台共同呼籲更多人關注貧困兒童藝術教育事業。
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，眾志成城戰勝這次自然災害；9月10日，佟麗婭出席了芭莎慈善夜，並與丈夫陳思誠一同捐贈了10輛價值70萬元的救護車 。
2018年，佟麗婭作為CCTV電影頻道「脫貧攻堅戰—星光行動」公益計畫的參與者，赴家鄉新疆進行了扶貧行動；2月1日，在第31個世界愛滋病日到來之際，佟麗婭出席了「愛之聲」暨世界愛滋病日青少年預防愛滋病宣傳公益慈善活動，她在活動中則接受了由臨汾紅絲帶學校的孩子們獻上的紅色領巾，並獲得證書，成為了全國防艾義務宣傳員；此外，她還多次參加芭莎明星慈善夜，並參與了慈善夜的各種募款活動。
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
個人評價
佟麗亞也曾在大學就讀時被譽為中央戲劇學院2004級的校花。 2011年佟麗亞義務擔任錫伯族形像大使，並以實際行動為傳承錫伯族古老的民族文化而一直努力著。佟麗婭是個美麗的錫伯族姑娘，也是個對藝術有著濃厚的興趣和執著的追求，勤奮、刻苦，不言放棄的人。
佟麗婭因出演古裝劇《宮》中的佟素言一角，而在內地走紅被譽為2011年的當紅花旦，並與楊冪、唐嫣、劉詩詩並稱新四大古裝美女。從五官上看，佟麗婭的臉蛋也是無可挑剔。大眼睛、高鼻子、瓜子臉，還有兩個小酒窩，隱約可見的小虎牙笑起來更是添了幾分可愛。並被譽為360度無死角美女。佟麗亞有著古典美人的意味，柳眉素肌，玲瓏剔透，有著純淨的美（南都娛樂周刊評[）。佟麗婭的螢幕形像大多是甜美可人的“花旦”，在西北長大的她，更喜歡“金剛芭比”這個稱號（山東商報評）。