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2014年7月24日《产科医生》登陆北京卫视、山东卫视[8]。佟丽娅在电视剧《恋爱的那点事儿》中出演女主角“亚熟女”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。8月27日，荣获第13届华鼎中国百强电视剧发布盛典最佳女演员奖；并同时获得十位全国观众最喜爱的影视明星奖。
2015年受邀参加央视春晚，表演节目《国色天香》，2月16日，节目因故被撤 。2月26日，路遥同名小说改编的电视剧《平凡的世界》首播，佟丽娅饰演“新时代新女性的代表者”田润叶 。同年3月4日，在中央电视台元宵晚会上，表演舞蹈《国色天香》 ，搭档演员秦岚、马苏、王丽坤共同出演 。4月13日，佟丽娅主演的都市轻喜剧《酷爸俏妈》上星首播，剧中扮演双面性格的叛逆少女小颖 。佟丽娅主演的《谜城》将在7月30日上映。 美国戴维斯电影节开幕展映影片《诡劫》片方宣布，影片定档2015年8月28日上映，影片由佟丽娅、立威廉主演 。
2016年，佟丽娅与章子怡、彭于晏、周冬雨等人合作主演的现代爱情悬疑片《奔爱》在全国上映 ，而她在片中则饰演了身份神秘莫测的大明星叶依依；10月、其主演的现代动作警匪片《惊天破》上映；11月，佟丽娅确定出演古装宫廷权谋剧《琅琊榜之风起长林》 ，而她在剧中饰演的则是英姿飒爽且身手不凡的蒙浅雪 ；与此同时，其参加的国防教育真人秀《真正男子汉第二季》开始在湖南卫视播出，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 。
2017年，佟丽娅与张鲁一搭档主演热血抗战剧《爱国者》，她在剧中饰演的则是天真烂漫又信仰坚定的革命战士舒婕；9月8日，佟丽娅主演的现代奇幻喜剧片《超时空同居》开机 ；而在这一年的福布斯中国名人榜中她则位列第三十八。10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演于太太。
2012年3月17日，佟丽娅与陈思诚在湖南卫视《快乐大本营》中公布恋情。
2014年1月16日，陈思诚与佟丽娅二人在大溪地举行婚礼。
2015年10月21日，陈思诚发微博证实佟丽娅怀孕。
2016年1月30日下午，佟丽娅在微博上晒出自己和宝宝、丈夫三个人的牵手照，随后，陈思诚也转发微博道：“朵朵，今后是咱爷俩保护妈妈~”。
2012年9月1日，参加时尚芭莎慈善夜十周年庆典，为慈善献力献爱心。
2013年4月20日，420芦山强烈地震后，通过基金会为芦山地震灾区捐款；4月28日，参加在四川卫视现场直播的“中国爱·420芦山强烈地震大型公益特别节目”中，为灾区祈福。
2013年7月参加了《公益中国》的节目录制。她先去看望了远在关爱中心的智障与伤残儿童，并现场捐款5万。9月佟丽娅发起捐助音乐教育培训基地；同年9月，佟丽娅出席联合国妇女署公益合作发布会（是与联合国妇女署深度合作的首位演员），与珀莱雅携手服务于女性公益和性别平等的项目。
2015年6月15日，佟丽娅出席了《星光上海—华谊ELLE之夜》五周年庆典活动；7月，她还出席了由“时尚芭莎”和UN’SI吾思联合发起的“公益星设计”第二季，并作为该项目活动大使现身启动仪式，并与众女艺人一同上台共同呼吁更多人关注贫困儿童艺术教育事业。
2016年7月，湖北遭受特大暴雨，佟丽娅、陈思成夫妇向湖北灾区捐款100万元，帮灾区人民度过难关。同时也希望社会各界关心湖北灾情，众志成城战胜这次自然灾害；9月10日，佟丽娅出席了芭莎慈善夜，并与丈夫陈思诚一同捐赠了10辆价值70万元的救护车。
