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少兒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少兒藝術團赴昆明演出，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迴歸文藝晚會的演出。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表演，並最終獲得了優秀貢獻獎的榮譽。

2000年，佟麗婭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；同年2月，她參加了新疆電視臺的春節聯歡晚會；隨後，她還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；同年，時年十七歲的佟麗婭便獲得了新疆舞蹈家協會的四級舞蹈考級培訓教師資格。

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；6月，佟麗婭參與了香港衛視中文臺申奧宣傳片的拍攝；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。

2004年，佟麗婭進入中國歌舞團擔任舞蹈演員。2006年，因出演情感劇《新不了情》而踏入影視圈。2008年，憑藉古裝劇《母儀天下》在影視領域嶄露頭角。2011年開始，佟麗婭因出演穿越劇《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象大使。2014年，憑藉家庭劇《斷奶》獲得第13屆華鼎獎中國百強電視劇最佳女演員獎。

2016年，因主演現代劇《平凡的世界》獲得第19屆華鼎獎中國當代題材電視劇最佳女演員、第28屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的女演員獎。2018年，獲得“中國電視好演員”綠寶石女演員獎；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。2019年，獲得北京大學生電影節最受歡迎女演員獎；而由其策劃並領舞的舞蹈劇《在遠方，在這裡》也於同年上演。2020年，她除了主演傳奇劇《浣溪沙》，受到多方好評。