2006年，學生時期的佟麗婭出演情感劇《新不了情》而正式出道演藝圈。2008年，佟麗婭出演古裝劇《母儀天下》。 2011年，佟麗婭在電視劇《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”。 2013年，佟麗婭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；參演電影版《北京愛情故事》。
2014年1月16日，與陳思誠在大溪地舉行婚禮。2014年主演徐克導演《智取威虎山》，飾演“白茹”；7月佟麗婭主演電影《暴走迷城》，主演的醫療行業劇《產科醫生》於2014年7月24日播出。8月27日，在第13屆華鼎中國百強電視劇發布盛典中榮獲最佳女演員獎。
2016年1月30日，佟麗婭在微博上曬出自己和寶寶、丈夫三個人的牽手照，宣布產子，乳名朵朵。5月21日，憑借《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。10月16日，憑借《平凡的世界》獲第28屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的女演員。