2000年，佟麗婭參加了文化部春節聯歡晚會舞蹈表演。2002年，佟麗婭獲得首屆新疆小姐大賽亞軍、全國影視新人選拔大賽金獎。2004年，佟麗婭又參加了中央電視臺的春節聯歡晚會舞蹈表演。2006年，學生時期的佟麗婭因出演爾冬升執導的情感劇《新不了情》而正式出道演藝圈。2008年，佟麗婭因在古裝劇《母儀天下》中飾演趙飛燕而廣受好評。2011年，佟麗婭在熱播劇《宮鎖心玉》中飾演了“年素言”；同年，佟麗婭義務出任了錫伯族形象大使。2012年，佟麗婭在愛情劇《北京愛情故事》中飾演了女主角“沈冰”，劇中飾演的“年素言”和“沈冰”讓人眼前一亮。2013年，佟麗婭憑藉在多部影視劇中的不俗表現獲得亞洲偶像盛典年度最具實力女演員大獎；同年主演電視劇《戀戀不忘》，扮演角色“吳桐”，並擔任第四屆中國大學生電視節形象大使；主演電影版《北京愛情故事》。2014年1月16日，陳思誠與佟麗婭在大溪地舉行婚禮；《北京愛情故事》於情人節上映斬獲4億票房；同年主演徐克導演《智取威虎山》，飾演“白茹”；主演林嶺東導演作品《暴走迷城》；2014年中國福布斯名人榜佟麗婭位列43名。