2003年1月，佟丽娅参加了中国中央电视台西部频道《魅力西部》春节特别节目，并在节目中表演了舞蹈《楼兰姑娘》、《花儿为什么这样红》、《玛露夏》等；2月，她随新疆艺术学院青年艺术团赴香港进行了演出活动；随后，佟丽娅还获得了新疆艺术学院舞蹈专业的单项奖学金。

2004年，佟丽娅被中国歌舞团录用，担任旗下的舞蹈演员，而她则在这一年的文化部春节电视晚会上表演了维吾尔族独舞《巴郎仔》、群舞《神秘面纱》等；同年，佟丽娅以优异的成绩被中央戏剧学院表演系本科表演专业录取，同时也成为了第一个考入中央戏剧学院表演专业的新疆锡伯族学生；此外，她还担任了王宏伟《喀什噶尔女郎》音乐录影带的女主角。2005年，日本富士电视台拍摄的纪实性电视专题片《追梦的人》对佟丽娅进行了专题介绍 。

2006年，佟丽娅在中央戏剧学院大二在读期间便出演了尔冬升执导的现代情感剧《新不了情》 ，其在剧中饰演了外形漂亮、声音优美且气质卓群的青年李再爱 ，而佟丽娅也自此正式踏入影视领域 ；同年，她还完成了个人的首部电影作品《葵花子》。

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女孩齐乔，而这也是其首次在影视剧中饰演女主角 ；此外，佟丽娅还出演了现代缉毒剧《红蝎子》。

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2008年，佟丽娅与众多艺人合作主演了古装宫廷传奇剧《母仪天下》，其在剧中饰演了美艳绝伦，且舞技超群的绝世美女赵飞燕 ，而这也是佟丽娅的首部古装剧作品，亦因此开始在影视领域崭露头角 ；随后，她还出演了都市爱情励志剧《我是一棵小草》；同年，佟丽娅还与谢君豪、郭珍霓、郭凯敏等人共同出演了现代情感剧《鸳鸯河》，在剧中饰演中学音乐教师黄曼莉 ；此外，她还出演了都市家庭伦理剧《人活一张脸》。

2009年，佟丽娅先是出演了民国爱情伦理剧《娘妻》；随后，她又与赵文瑄、海陆、袁姗姗联袂主演了年代情仇剧《大屋下的丫鬟》，并在剧中饰演了为查出父母被害真相而忍辱负重的江南女孩苏文慧 ；同年，佟丽娅还在与陈键锋搭档主演的年代商战爱情剧《烟雨斜阳》中饰演了秀外慧中，且温柔可人的女主角高宛宜；此外，她还领衔主演了民族剧情片《花腰女儿红》、都市爱情片《玫瑰余香》。

2010年，佟丽娅与霍建华、刘诗诗、马天宇等人合作出演了古装武侠剧《怪侠一枝梅》 ，而其在剧中则饰演了聪明貌美，且善解人意，却最终香消玉殒的悲情女子荆如忆；随后，她又与众多艺人共同出演了都市时尚悬疑剧《无懈可击之美女如云》；同年，佟丽娅还与高露、戚薇、杜淳等人合作主演了现代都市爱情剧《我的经济适用男》 ，并在剧中饰演了外形靓丽、且内心细腻的都市女白领何小君 ；此外，她还主演了现代家庭情感剧《错恨》。

2011年，佟丽娅与杨幂、冯绍峰、何晟铭联袂主演的宫斗穿越剧《宫锁心玉》开播 ；她在剧中饰演了从纯真少女一步步转变为腹黑心机女的年素言，该剧则以收视率破二的成绩取得了全国同时段电视剧收视冠军，佟丽娅个人也因此赢得了一系列的影视奖项 ，并被更多观众熟知；而其出演的民国家庭喜剧《欢喜婆婆俏媳妇》也于同期上星播出 ；9月，主演的悬疑爱情惊悚片《紫宅》上映，而这也是她的大银幕处女作；11月，其出演的古装宫廷魔幻剧《唐宫美人天下》播出，她在剧中饰演的是敢爱敢恨，明艳动人，且舞艺超群的鸣翠坊第一舞姬舞倾城。

2012年，佟丽娅主演的现代都市爱情剧《北京爱情故事》播出，她在剧中饰演了冰清玉洁、温柔如水，又倔强坚强的冬姑娘沈冰 ；而该剧在播出后不仅取得了不俗的收视率和口碑，其个人的关注度和人气也因此得到了进一步提升 ；随后，主演都市青春爱情剧《恋爱的那点事儿》 ，在剧中饰演真实善良，可爱率真的都市女孩于湖新 ；而其主演的年代言情剧《爱可以重来》也于同年播出，她在剧中饰演的是性格坚强、命运多舛的女主角陆嘉亮 ；此外，佟丽娅还出演了现代青春爱情片《致我们终将逝去的青春》 ；11月21日，发布个人音乐处女作《只为你歌唱》。