由东北西迁至伊犁戍边的锡伯族军民后裔（参见西迁节）。父亲佟吉生，时任伊犁州音乐家协会常务副主席兼秘书长，后升任新疆音乐家协会常务副主席兼秘书长、中国音乐家协会理事等职，祖籍察布查尔锡伯自治县爱新舍里镇（原名金泉镇），祖上是锡伯营三牛录人（即锡伯八旗中的正白旗，今依拉齐牛录村），1950年代初期，父辈因工作的关系举家移居伊宁；母亲毛海英是汉族，甘肃民勤县人，担任新疆教育学院艺术分院声乐系副教授。佟丽娅出生于音乐世家，她从小便接受艺术的熏陶。5岁时进入伊宁市少年宫少儿艺术团学习舞蹈，1995年曾随团赴昆明演