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1983年8月8日，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。
1989年，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，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，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，参加了新疆维吾尔自治区迎香港回归文艺晚会的演出。
1999年9月，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，被分配到新疆歌舞团担任舞蹈演员；2月，参加了新疆电视台的春节联欢晚会；随后，考入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；同年，时年17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，被借调到马兰基地参加总装备部文艺调演；6月，参与了香港卫视中文台申奥宣传片的拍摄；9月，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，最终她在这次汇演中获得了表演三等奖的荣誉。
2002年6月，参加了首届“新疆小姐”选美大赛，她在比赛中获得了亚军的成绩；10月，被借调到中国歌舞团一分团近半年，在此期间她参加了歌舞节目《秘境之旅》的演出。
2003年1月，参加中国中央电视台西部频道《魅力西部》春节特别节目；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，还获得了新疆艺术学院舞蹈专业的单项奖学金。
2004年，被中国歌舞团录用，担任旗下的舞蹈演员；同年，以优异的成绩被中央戏剧学院表演系本科表演专业录取；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。
2006年，在中央戏剧学院大二在读期间便出演了尔冬升执导的现代情感剧《新不了情》，从而踏入演艺圈；同年，她还完成了个人的首部电影作品《葵花子》。
2007年，出演了中央戏剧学院的现代话剧《蝴蝶是自由的》；同年，领衔主演了现代青春爱情剧《空巷子》，这也是她首次在影视剧中担任女主角。
2008年，与众多艺人合作出演了古装宫廷传奇剧《母仪天下》，她也因此剧开始在影视领域崭露头角。随后，还出演了都市爱情励志剧《我是一棵小草》；同年，与谢君豪、郭珍霓等人共同出演了现代情感剧《鸳鸯河》。
2009年，与赵文瑄、海陆、袁姗姗联袂主演了年代情仇剧《大屋下的丫鬟》；同年，与陈键锋搭档主演了年代商战爱情剧《烟雨斜阳》；此外，还领衔主演了民族剧情片《花腰女儿红》、都市爱情片《玫瑰余香》。
2010年，与霍建华、刘诗诗、马天宇等人合作出演了古装武侠剧《怪侠一枝梅》；随后，与众多艺人共同出演了都市时尚悬疑剧《无懈可击之美女如云》。同年，与高露、戚薇、杜淳等人合作主演了现代都市爱情剧《我的经济适用男》。此外，还主演了现代家庭情感剧《错恨》。
2011年，与杨幂、冯绍峰、何晟铭联袂主演的宫斗穿越剧《宫锁心玉》开播，佟丽娅个人因此剧赢得了一系列的影视奖项，并被更多观众熟知。9月，与汪东城搭档主演的悬疑爱情惊悚片《紫宅》上映；11月，出演的古装宫廷魔幻剧《唐宫美人天下》播出。
2012年，主演的现代都市爱情剧《北京爱情故事》播出，该剧在播出后取得了不俗的收视率和口碑，其个人的关注度和人气也因此得到了进一步提升；随后，与杜淳搭档主演了都市青春爱情剧《恋爱的那点事儿》；同年，主演的年代言情剧《爱可以重来》播出；11月21日，发布了音乐处女作《只为你歌唱》。
2013年，与陈小艺、张国立、张涵予联袂主演的现代灾难情感剧《唐山大地震》开播；随后，领衔主演的都市家庭情感剧《断奶》也同期播出；10月，开始主演都市医疗言情剧《产科医生》。
2014年，与众多艺人共同主演的电影版《北京爱情故事》上映；5月，领衔主演的民国女性传奇剧《刀客家族的女人》上星播出；随后，与言承旭搭档主演的都市爱情励志剧《恋恋不忘》开播；8月，与李光洁等人合作主演了现代都市爱情剧《酷爸俏妈》；11月，主演的都市爱情励志喜剧《大都市小爱情》开播；年底，与林更新、张涵予、梁家辉等人联袂主演的3D战争动作片《智取威虎山》上映。
2015年，主演的现代情感剧《平凡的世界》首播；7月，与众多艺人共同主演的现代动作警匪片《谜城》公映；8月，主演的悬疑惊悚片《诡劫》上映；年底，与王宝强、刘昊然等人联袂主演的动作悬疑喜剧片《唐人街探案》公映。
2016年，与章子怡、彭于晏、周冬雨等人合作主演的现代爱情悬疑片《奔爱》上映；10月，主演的现代动作警匪片《惊天破》上映；同年，领衔主演了年代热血传奇剧《远大前程》。
2017年，与张鲁一搭档主演的热血抗战剧《爱国者》播出；随后，与雷佳音搭档主演了奇幻爱情喜剧片《超时空同居》；12月，特别主演的古装宫廷权谋剧《琅琊榜之风起长林》播出。
2018年2月15日，首次登上了中央电视台春节联欢晚会的舞台；3月，与张亮搭档主演的都市时尚爱情剧《不婚女王》杀青；而其与黄轩搭档主演的现代都市行业剧《完美关系》也于随后拍摄完毕。
2019年9月29日，参演了庆祝中华人民共和国成立70周年文艺晚会《奋斗吧中华儿女》并表演了诗朗诵《致敬人民》。11月9日，担任策划并亲自领舞，筹备两年的舞蹈剧场《在远方，在这里》连续两天在国家大剧院、歌剧院上演。
2020年，与佟大为搭档主演了都市情感剧《爱的厘米》；1月24日，与任鲁豫、尼格买提·热合曼、尹颂、张舒越共同担任了中央广播电视总台春节联欢晚会主会场的主持人。
2021年，担任了“百花迎春——中国文学艺术界春节大联欢”的主持人；2月11日，再次参加中央广播电视总台春节联欢晚会；3月31日，主演的电视剧《明天我们好好过》播出。10月8日，主演的近代革命剧《霞光》在播出。
2022年，参加北京2022年冬奥会和冬残奥会口号推广音乐短片《一起向未来》的演唱，参加北京2022年冬奥会和冬残奥会颁奖仪式推广歌曲《致敬勇士》的演唱。
《北京爱情故事》、《我和我的祖国》、《超时空同居》、《鼠胆英雄》、《奔爱》、《唐人街探案》、《智取威虎山》、《革命者》、《1921》、《中国医生》等。
《完美关系》、《平凡的世界》、《琅琊榜之风起长林》、《刀客家族的女人》、《断奶》、《北京爱情故事》、《宫锁心玉》、《唐山大地震》、《唐宫美人天下》等。
《在远方，在这里》、《芒种》、《飞天》、《楼兰姑娘》、《秘境之旅》等。
2014年，获第6届英国万像国际华语电影节最佳青年女演员奖-《北京爱情故事》。
2014年，提名第6届澳门国际电影节最佳女主角奖-《北京爱情故事》。
2014年，获第13届华鼎奖中国百强电视剧最佳女主角-《断奶》。
2015年，提名第21届上海电视节-白玉兰奖最佳女主角奖-《平凡的世界》。
2015年，获第17届华鼎奖观众最喜爱的影视明星
2016年，获第19届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳女演员-《平凡的世界》。
2016年，获第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖-《平凡的世界》。
2017年，获第4届中国电视好演员奖优秀演员奖。
2018年，获第4届中国电视好演员奖绿宝石女演员奖。
2018年，获第21届上海国际电影节-电影频道传媒关注单元最受传媒关注女主角-《超时空同居》。
2018年，提名第17届中国电影华表奖优秀女演员奖-《超时空同居》。
2019年，获第26届北京大学生电影节最受欢迎女演员奖。
2001年，获全国少数民族文艺汇演表演三等奖。
2002年，获全国影视新人选拔大赛金奖。
2002年，获第1届新疆小姐选美大赛亚军。
2010年，获搜狐秋季盛典“最佳女演员”。
2011年，获优酷大剧盛典“年度新锐偶像”。
2011年，获优酷指数盛典“开年突破女演员”。
2012年，获MSN时尚夜“星月年度当红女演员”。
2012年，获第2届搜狐视频电视剧盛典最具网络人气奖。
2012年，获风尚志六周年盛典“风尚人气明星奖”。
2012年，获第2届乐视影视盛典电视剧飞跃进步奖”。
2012年，获搜狐视频电视剧盛典最佳女配角。
2013年，获亚洲偶像盛典最具实力女演员。
2014年，获第13届华鼎奖观众最喜爱十佳电视明星。
2016年，获新浪“微博电影之夜”盛典最受期待青年演员大奖。
2017年，获第2届中影股份“五一”劳动奖。
2018年，获“五月的鲜花”优秀青年演员。
2018年，获百度娱乐年度人物。
2018年，获COSMO时尚美丽盛典年度青春美丽偶像。
2018年，获电影嘉年华星光璀璨电影之夜最受瞩目演员。
2019年，获国剧盛典观众喜爱角色人物。
2019年，获COSMO时尚美丽盛典“传承·梦想”年度人物。
2020年，获微博之夜微博年度女神。
佟丽娅的荧屏形象大多是甜美可人的“花旦”，她因出演古装剧《宫》中的佟素言一角，而与杨幂、唐嫣、刘诗诗并称为四大古装美女。而在剧版《唐山大地震》中佟丽娅饰演的“小登”则以敏感、催泪、内敛、复杂的人物特色让观众看到了她更为纯熟的演技和塑造人物多面性的把控力。从五官上看，佟丽娅的脸蛋无可挑剔。大眼睛、高鼻子、瓜子脸，还有两个小酒窝，隐约可见的小虎牙在笑起来时更为她增添了几分可爱。同时，佟丽娅还被誉为360度无死角美女，并拥有古典美人的意味。而柳眉素肌，玲珑剔透的她，更有着一份纯净的美。（凤凰网、山东商报、亚心网、新华网、太平洋女性网、网易娱乐、新浪娱乐、新民网、水母网、南都娱乐周刊评）