她1984年8月8日出生于新疆伊犁，父母都是教师，从小就注重对她艺术素养的培养。

她13岁考上了新疆艺术学院附中舞蹈系舞蹈表演专业，并多次参加各种大型文艺演出。

2004年，她又进入中央戏剧学院表演系本科表演专业深造。

之后，佟丽娅与陈思诚因戏结缘，2014年结婚，婚后育有一子。

2021年，两人宣布离婚。尽管离婚，两人在事业上依然保持合作。