2006年，佟丽娅大二时出演由尔冬升执导的电视剧《新不了情》，凭借剧中“李再爱”一角的清丽表现，获得好评，自此正式出道。
2007年，佟丽娅出演了中央戏剧学院的现代话剧《蝴蝶是自由的》；同年，她还领衔主演了现代青春爱情剧《空巷子》，并在剧中饰演了命运多舛的美丽美丽女孩齐乔、而这也是佟丽娅首次在影视剧中担任女主角。
2008年，在电视剧《母仪天下》中佟丽娅出演剧中的“赵飞燕”一角。佟丽娅凭借扎实的舞蹈功底和演技成功塑造了“赵飞燕”一角，饰演古装造型。同年，在生活剧《我是一棵小草》中，佟丽娅饰演岳小梅。
2009年，佟丽娅又出演了《人活一张脸》，《大屋下的丫鬟》，《烟雨斜阳》三部电视剧。
2010年，佟丽娅首次搭档霍建华，在《怪侠一枝梅》饰演荆如忆。在电视剧《无懈可击之美女如云》饰演姚辉。在《我的经济适用男》饰演何小君。
2011年，《唐宫美人天下》饰演舞倾城。佟丽娅在《美人天下》中再次扮演擅长歌舞的舞倾城。
2012年，佟丽娅在电视剧《北京爱情故事》中饰演沈冰，被网友称为“最理想的模范女友”。在电视剧《恋爱的那点事儿》中饰演于湖新。
在电视剧《恋恋不忘》中扮演女主角吴桐，与言承旭饰演的霸道总裁上演爱情故事。8月，佟丽娅携手李光洁、赵子琪、朱锐等主演都市情感剧《酷爸俏妈》，剧中饰演小学英语老师黄小颖。
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