2000年初，佟晨洁开始了她的职业模特生涯。2001年，参加上海国际时装模特大赛，夺得“最佳女模特”季军、“最受大众欢迎奖”和“最沙宣模特大奖”三个奖项；同年11月，获得莱卡风尚人物“风尚模特奖”。

2002年，参加中国国际时装周，获得最佳职业时装模特提名；同年被评为《周末画报》十大名模。

2003年，进入世界超模大赛十五佳；还成为欧莱雅集团卡尼尔品牌中国地区形象代言人。

2004年，在上海国际服装文化节中获得“TOP10时装模特杰出贡献奖”。

2005年3月，进入福布斯中国名人榜第94位；9月，她与杜鹃、王雯琴、刘丹和倪睿思等中国模特共同拍摄《Vogue》中国版创刊号封面，主角是澳大利亚模特嘉玛·沃德；11月，进军主持界，担任光线传媒制作的《时尚风云榜》主持人。

2006年，担任上海生活时尚频道时尚综艺选秀节目《超级模特》评委；同年，客串出演电视剧《白屋之恋》。

2007年1月，和于娜出任了上海国际时装模特大赛评委；3月，与谢晖参与东方卫视明星戏曲真人秀节目《非常有戏》，最终谢晖顺利晋级半决赛，而佟晨洁却被淘汰出局；6月，首次出演了话剧，在话剧《满城尽是金字塔》中饰演女主角；同年与谢晖共同录R&B曲风单曲《非常默契》，由李泉监制。

2008年，她与谢晖参加了由中国青少年发展基金会和上海东方卫视主办的公益综艺节目《加油!2008》，最终进入全国总决赛五强。

2011年9月，出演首部电影《紫宅》，她在这部由汪东城、佟丽娅主演的爱情惊悚电影中饰演一名律师；11月，以“督导团”身份参见浙江卫视励志真人秀时尚剧集《卧底超模》。

2012年4月，与万茜、张晨光共同出演动作谍战电视剧《决战前》，这是她真正意义上的首部电视剧，她在剧中饰演冷艳枪手田中美惠，拍摄时她还拒绝用剧组准备的替身；5月，在浙江卫视舞蹈节目《越跳越美丽》中担任教练导师；10月，担任时尚美妆真人秀节目《丝芙兰美丽学院》第二季评委。

2013年12月，出演成龙、景甜主演的警匪电影《新警察故事2013》。

2014年7月，在罗志祥、毛俊杰主演的都市题材电视剧《深圳合租记》饰演朱莉；10月，担任TVB国际中华小姐总决选评委。

2015年，她出演了黄晓明、陈乔恩主演的民国电视剧《锦绣缘华丽冒险》，饰演霸气与温情并存、果敢与仁义兼具的上海滩第一女老板凌美华 。

2018年，出演《上海女子图鉴》中“职场女魔头”Sherry一角；11月其主演的都市情感剧《风再起时》在湖南卫视金鹰独播剧场播出，佟晨洁饰演金牌律师顾盼的角色。

2019年3月，出演电影《艾特所有人》。

2020年2月14日，主演的古装悬疑爱情励志剧《大唐女法医》播出。