2006年，佟麗婭大二時出演由爾冬升執導的電視劇《新不了情》，憑藉劇中“李再愛”一角的清麗表現，獲得好評，自此正式出道
2007年，佟麗婭出演了中央戲劇學院的現代話劇《蝴蝶是自由的》；同年，她還領銜主演了現代青春愛情劇《空巷子》，並在劇中飾演了命運多舛的美麗美麗女孩齊喬、而這也是佟麗婭首次在影視劇中擔任女主角 ；此外，佟麗婭還出演了現代緝毒劇《紅蠍子》
2008年，在電視劇《母儀天下》中佟麗婭出演劇中的“趙飛燕”一角。佟麗婭憑藉紮實的舞蹈功底和演技成功塑造了“趙飛燕”一角，飾演古裝造型。同年，在生活劇《我是一棵小草》中，佟麗婭飾演嶽小梅。
2009年，佟麗婭又出演了《人活一張臉》，《大屋下的丫鬟》，《煙雨斜陽》三部電視劇。
2010年，佟麗婭首次搭檔霍建華，在《怪俠一枝梅》飾演荊如憶。在電視劇《無懈可擊之美女如雲》飾演姚輝。在《我的經濟適用男》飾演何小君。
2011年，《唐宮美人天下》飾演舞傾城。佟麗婭在《美人天下》中再次扮演擅長歌舞的舞傾城。佟麗婭搭檔楊冪、馮紹峰在《宮鎖心玉》飾演層次豐富，舞藝精湛的“年素言”。
2011年，《唐宮美人天下》飾演舞傾城。佟麗婭在《美人天下》中再次扮演擅長歌舞的舞傾城[4]。佟麗婭搭檔楊冪、馮紹峰在《宮鎖心玉》飾演層次豐富，舞藝精湛的“年素言”。
2013年，擔任第四屆“中國大學生電視節”形象代言人。[6]1月，在電視劇《刀客家族的女人》飾演葛大妮。在電視劇《唐山大地震》中飾演女一號萬小燈。在小說改編電影《致我們終將逝去的青春》飾演施潔。
2014年7月24日《產科醫生》登陸北京衛視、山東衛視。佟麗婭在電視劇《戀愛的那點事兒》中出演女主角“亞熟女”於湖新。在電視劇《戀戀不忘》中扮演女主角吳桐，與言承旭飾演的霸道總裁上演愛情故事。
015年受邀參加央視春晚，表演節目《國色天香》，2月16日，節目因故被撤 。2月26日，路遙同名小說改編的電視劇《平凡的世界》首播，佟麗婭飾演“新時代新女性的代表者”田潤葉 。
2016年，佟麗婭與章子怡、彭于晏、周冬雨等人合作主演的現代愛情懸疑片《奔愛》在全國上映 ，而她在片中則飾演了身份神秘莫測的大明星葉依依；10月、其主演的現代動作警匪片《驚天破》上映；
2017年，佟麗婭與張魯一搭檔主演熱血抗戰劇《愛國者》，她在劇中飾演的則是天真爛漫又信仰堅定的革命戰士舒婕；
2016年1月30日下午，佟麗婭在微博上曬出自己和寶寶、丈夫三個人的牽手照，隨後，陳思誠也轉發微博道：“朵朵，今後是咱爺倆保護媽媽~”。
2012年9月1日，參加時尚芭莎慈善夜十週年慶典，為慈善獻力獻愛心。
2013年4月20日，420蘆山強烈地震後，通過基金會為蘆山地震災區捐款；4月28日，參加在四川衛視現場直播的“中國愛·420蘆山強烈地震大型公益特別節目”中，為災區祈福
2013年7月參加了《公益中國》的節目錄制。她先去看望了遠在關愛中心的智障與傷殘兒童，並現場捐款5萬。9月佟麗婭發起捐助音樂教育培訓基地
016年7月，湖北遭受特大暴雨，佟麗婭、陳思成夫婦向湖北災區捐款100萬元，幫災區人民度過難關。同時也希望社會各界關心湖北災情，眾志成城戰勝這次自然災害
佟麗婭還在大學就讀時便被譽為中央戲劇學院2004級的校花。