2006年，学生时期的佟丽娅出演情感剧《新不了情》而正式出道演艺圈。2008年，佟丽娅出演古装剧《母仪天下》。2011年，佟丽娅在电视剧《宫锁心玉》中饰演了“年素言”;同年，佟丽娅义务出任了锡伯族形象大使。


2012年，佟丽娅在爱情剧《北京爱情故事》中饰演了女主角“沈冰”.2013年，佟丽娅获得亚洲偶像盛典年度最具实力女演员大奖;同年主演电视剧《恋恋不忘》，扮演角色“吴桐”，并担任第四届中国大学生电视节形象大使;参演电影版《北京爱情故事》。