1983年8月8日出生于新疆伊犁察布查尔 ，毕业于中央戏剧学院，中国内地影视女演员、舞者。
2000年，成为新疆歌舞团的舞蹈演员。
2004年，进入中国歌舞团工作。
2006年，出演影视处女作《新不了情》。
2008年，凭借古装剧《母仪天下》崭露头角。
2011年开始，因主演剧集《宫锁心玉》《北京爱情故事》赢得更多关注。此后，她还主演了《远大前程》等作品。
2019年，策划并主演舞蹈剧《在远方，在这里》。
2020年，主持中央广播电视总台春节联欢晚会。
2021年，出演建党百年献礼片《1921》。
2024年，主演的剧情片《狗阵》入围戛纳电影节一种关注单元。
2014年，佟丽娅凭借家庭剧《断奶》获得华鼎奖最佳女演员奖。2016年，因主演现代剧《平凡的世界》获得第19届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳女演员奖、第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖。2018年，不仅获得中国电视好演员绿宝石女演员奖；亦凭借爱情片《超时空同居》提名中国电影华表奖优秀女演员奖。其后，她又获得了北京大学生电影节最受欢迎女演员奖。而除演艺事业外，佟丽娅还义务出任了锡伯族“形象大使”。