2013年5月，佟丽娅主演的现代灾难情感剧《唐山大地震》开播，其在剧中饰演了年龄跨度近30年的女主角万小登 ；随后，她不仅担任了第4届中国大学生电视节的形象大使 ；领衔主演的都市家庭情感剧《断奶》也于同期播出 ，剧中她饰演的是性格可爱，却娇生惯养的都市娇娇女安琪 ，而佟丽娅则凭借该剧获得了第13届华鼎中国百强电视剧最佳女演员奖 、全国观众最喜爱的十大影视明星奖。

8月8日，发布生日单曲《我们》；9月，参演的现代犯罪悬疑片《全民目击》上映 ；同年，她还主演了都市医疗言情剧《产科医生》，并在剧中饰演了外形靓丽，且充满勇气和牺牲精神的产科医生何晶 ，该剧在次年播出后则以平均收视率破一的成绩取得了CSM50城黄金档收视冠军 ；而在这一年，佟丽娅还凭借在多部影视剧中的表现获得了亚洲偶像盛典年度最具实力女演员的殊荣 。

2014年，佟丽娅与众多艺人共同主演的电影版《北京爱情故事》上映，她在片中饰演了与男友一见钟情后却遭遇结婚无房难题的沈彦，该片的票房成绩则最终突破了4亿人民币；5月，领衔主演的民国女性传奇剧《刀客家族的女人》上星播出，剧中她饰演的是从豪迈泼辣的天真少女一步步成长为成熟革命者的女主角葛大妮 。

随后，主演的都市爱情励志剧《恋恋不忘》开播，其在剧中饰演了美丽善良、性格坚强的女主角吴桐 ，该剧也以平均破一的收视率取得了CSM50城黄金档收视冠军；8月，主演现代都市爱情剧《酷爸俏妈》 ，并在剧中饰演文静娴雅、时尚靓丽，却有着一棵离经叛道之心的小学英语教师黄小颖 。

11月，主演的爱情励志喜剧《大都市小爱情》开播，饰演角色则为长相甜美、精明能干、且心地善良的女主角苏劲 ；年底，主演的3D战争动作片《智取威虎山》上映，佟丽娅在片中饰演了心地善良，为人正直勇敢的战地卫生员白茹 ，该片最终则取得了超过8亿人民币的票房成绩 ；此外，她还在这一年的福布斯中国名人榜上位列第四十三名 。

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2015年，佟丽娅主演的现代情感剧《平凡的世界》首播 ，其在剧中饰演了看似感情温厚、容让温顺，却骨子里透着执拗的女主角田润叶 ，而她也凭借该角色拿下了第19届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳女演员 、第28届中国电视金鹰奖观众喜爱的女演员奖的荣誉 。

3月4日，佟丽娅参加了中央电视台元宵晚会 ，而她表演的节目则是舞蹈《国色天香》 ；随后，领衔主演的古爱情传奇剧《爱无痕》拍摄完成，其在剧中饰演了拥有绝世容貌，且才华独步天下的女主角沈怜星 ；7月，主演的现代动作警匪片《谜城》在全国公映 ；8月，其主演的悬疑惊悚片《诡劫》上映 ；年底，与王宝强、刘昊然等人联袂主演的动作悬疑喜剧片《唐人街探案》全面公映，饰演角色为妩媚动人，又敢爱敢恨的泰国唐人街第一美女老板阿香，该片的票房成绩则最终突破了8亿人民币。

2016年，佟丽娅主演的现代爱情悬疑片《奔爱》在全国上映 ，她在片中饰演了身份神秘莫测的大明星叶依依；10月，主演的现代动作警匪片《惊天破》上映；与此同时，其参加的国防教育真人秀《真正男子汉第二季》也在湖南卫视播出，节目中佟丽娅则与其他几位嘉宾共同深入一线部队，在空军的各个兵种内经历了5次3天2晚的真实军营体验；同年，佟丽娅还领衔主演了年代热血传奇剧《远大前程》 ，并在剧中饰演了有勇有谋，且颇具男性气质的林依依 。

2017年3月，佟丽娅被聘任为了中国电视艺术家协会演员工作委员会常务理事 ；而其这一年的第一部影视作品则是热血抗战剧《爱国者》，饰演角色为天真烂漫，信仰坚定的革命战士舒婕；随后，主演奇幻爱情喜剧片《超时空同居》，该片于次年上映后则以近9亿人民币的成绩位居国产电影年度票房前十 ，而佟丽娅也凭借在片中饰演外表拜金，实则纯真温柔的女主角谷小焦获得了第21届上海国际电影节-电影频道传媒关注单元最受传媒关注女主角 ，第17届中国电影华表奖优秀女演员提名 。