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2011年参演由张艺谋导演的电影《金陵十三钗》，饰演女主角玉墨，从而进入演艺圈，并凭借此片获得第6届亚洲电影大奖最佳新演员奖 、第7届华语青年影像论坛年度新锐女演员奖、第十二届华语电影传媒大奖最受瞩目女演员奖和第21届上海影评人奖最佳女演员奖

2013年1月与杨幂、杨颖、刘诗诗一同入选成为“新四小花旦”。同年出演《我想和你好好的》和《等风来》电影女主角.

2014年出演电影《匆匆那年》和中国版《新娘大作战》的女主角。同年12月5日《匆匆那年》上映，中国内地票房5.8亿，加上《金陵十三钗》中国内地票房6.086亿，倪妮出道短短三年已拥有两部作为第一女主角票房过五亿的电影代表作

2016年出演张艺谋监制张末执导的奇幻治愈系电影《28岁未成年》女主角。同年3月底，倪妮主演由徐克监制编剧、袁和平执导的古装奇幻电影加一个老中医威信号：baike945 每天帮你把把脉！《奇门遁甲》

她一夜成名超越巩俐成最美谋女郎，与小鲜肉井柏然姐弟恋

2012年5月24日，冯绍峰发表一篇微博，公开承认与倪妮恋情。7月26日冯绍峰和倪妮第一次合作拍摄电影《我想和你好好的》。

2015年5月17日，有媒体曝倪妮与冯绍峰分手，两人恋情于近日正式划下句点，双方都已各向挚友透露恢复单身。2016年3月，倪妮和井柏然恋情爆光，双方经纪人承认恋情。

2015年倪妮出演由吕克·贝松编剧并监制的中法合拍3D动作奇幻电影《勇士之门》女主角 。

同年，倪妮与奥斯卡影帝阿德里安·布洛迪合作主演由好莱坞导演安迪·坦纳特执导的爱情喜剧电影《曼哈顿爱情故事》

同年11月，倪妮领衔主演根据小说改编的同名电影《悟空传》，倪妮出演女主角紫霞