2009年11月，學習播音主持的倪妮參加《金陵十三釵》劇組演員選拔，在眾多參選人中獲張藝謀賞識擔任片中女主角“玉墨”，並加以三年時間秘密演藝培訓。 以角色“玉墨”主演的《金陵十三釵》以6.086億取得2011年中國電影票房冠軍的成績， 並且入圍第69屆美國金球獎最佳外語片 。同時《金陵十三釵》也入圍了第62屆柏林國際電影節主競賽單元，但不參加評比，只進行展映，倪妮在2012年2月13日隨導演張藝謀壹起出席了柏林國際電影節 。 2012年2月20日憑借《金陵十三釵》而走紅的倪妮屢登雜誌封面，成為各大時尚雜誌的封面女郎。3月20日憑《金陵十三釵》獲得第六屆亞洲電影大獎最佳新演員獎 。4月由章家瑞、竹卿執導，劉恒編劇的電影《殺戒》開拍，倪妮與劉燁***同主演。 5月30日憑《金陵十三釵》獲第十二屆華語電影傳媒大獎最受矚目女演員獎。 6月17日憑借《金陵十三釵》獲第21屆上海影評人獎最佳女演員獎 。7月17日，倪妮登上《時尚芭莎》八月刊封面。7月26日參演愛情電影《我想和妳好好的》 ，倪妮與馮紹峰首次搭檔演出。 10月11日參加中國上海的”精彩OK名人香水展“，成為大陸首位擁有個人香水的演員。 11月9日憑借電影《金陵十三釵》獲華語青年影像論壇“年度新銳影人”。 12月21日出席中國上海《紅秀GRAZIA》100期派對，獲年度潮流新勢力大獎。 2013年1月倪妮與楊冪、楊穎、劉詩詩壹同入選“新四小花旦”之壹。 2月20日擔任2013-2014秋冬系列Peuterey品牌友人。 2月23日，倪妮攜手PIAGET珠寶出席了第28屆美國電影獨立精神獎頒獎禮 。3月，所參演的由滕華濤執導的電影《等風來》開拍，倪妮與井柏然主演，飾演女主角程羽蒙。 5月10日，出席中國上海的TOD’S限量珍藏圖片展。 6月11-13日，在中國北京拍攝微電影《愛在線2》。6月所主演的由竹卿導演的電影《殺戒》開播，飾演“鋼琴女神”。 11月擔任SK-II大中華區（2014年下半年升級為亞洲區代言人2015年已晉升為全球代言人）代言人及SK-II品牌大使。 2014年1月20日，由倪妮主演的主題微電影《愛·在線》斬獲2013金瞳獎微電影類最佳形象代言銀獎、最佳傳播效果金獎、最佳劇情銀獎、最佳視覺效果銀獎四項大獎。該微電影由倪妮代言的聯想平板電腦攜手電影《我想和妳好好的》主創團隊拍攝，倪妮作為該品牌產品的首位形象代言人，被封為“2013金瞳獎最佳形象代言”。 2月底出演張壹白執導的電影《匆匆那年》，飾演女主角方茴，與彭於晏合作，該電影改編自小說家九夜茴的同名小說。 6月5日，倪妮出任國際休閑服品牌UNIQLO（中文名：優衣庫）全球代言人，是該品牌大中華地區首位全球代言人。 6月23日，倪妮與楊穎合作主演的雙女主角電影《新娘大作戰》中國版在上海開機，倪妮飾演女主角之壹馬麗。 7月18日，倪妮出席了“瞬息·永恒——卡地亞 (Cartier) 時間藝術展”，繼劉德華後，倪妮成為卡地亞新晉品牌摯友 。8月31日，倪妮出席電影《匆匆那年》定檔12月5日上映發布會 。12月18日，《匆匆那年》再次拿下單日票房冠軍，連續保持14天票房奪冠，截止到2015年1月5日，中國內地累計票房正式突破5.8億 ；倪妮成為第九屆中國作家榜授予的首任“閱讀星大使” 。 2015年初，由倪妮參與的明星動物真人秀《奇妙的朋友》定於1月24日在湖南衛視首播 ，倪妮並參與演唱該節目的主題曲《妳有沒有聽到我》 ，這也是倪妮首次正式開聲獻唱主題曲 。4月1日，倪妮出席《新娘大作戰》定檔七夕8月20日全國上映記者發布會 。4月9日，國際護膚品牌SK-Ⅱ官方正式對外宣布：原亞太區品牌形象代言人倪妮已正式晉升成為SK-Ⅱ的全球代言人，同時倪妮也是SK-Ⅱ有史以來最年輕的全球代言人 。4月11日，倪妮出席新浪娛樂15周年慶典並榮獲“傑出青年”榮譽 。4月16日，倪妮與《勇士之門》劇組亮相北京國際電影節，倪妮確定出演由曾經執導和編劇過經典電影《這個殺手不太冷》的導演呂克·貝松編劇並監制的中法合拍3D動作奇幻電影《勇士之門》女主角 。4月28日，世界權威模特排行網站models刊登了壹組倪妮演繹的主題為《似水年華》的創意人物片，此組片子通過記錄五位人物的青春年華，向全世界展示“不壹樣的北京故事”，而倪妮是其中的壹位 。4月29日，倪妮繼SK-II等國際代言後又拿下了LVMH集團的DFS的代言合同，5月1日在紐約拍攝最新2015秋冬廣告，該廣告最終會在全球多個國家地區大面積投放 。此外，倪妮還受Ralph Lauren品牌邀請，在紐約遊覽駐足，5月4日參加時尚界奧斯卡Met Ball慈善晚宴，倪妮的穿著被美國版的Vogue評為“最佳著裝” 。7月6日，倪妮受Dior的邀請去巴黎參加Dior 2015秋冬高級訂制時裝周，這也是倪妮第四次受該品牌的邀請前去巴黎看Dior的高訂秀了 。8月，由好萊塢導演安迪·坦納特（Andy Tennant）執導，倪妮與奧斯卡影帝阿德裏安·布洛迪領銜主演愛情喜劇電影《曼哈頓愛情故事》美國紐約開拍 。8月20日，倪妮與楊穎領銜主演的電影《新娘大作戰》上映36小時票房破億 ，倪妮首演喜劇張弛力度掌握得很好，搞怪逗趣的表演獲得了觀眾的壹致認可，被稱是全片的喜劇擔當 ，該電影內地累積票房1.72億 。9月25日，倪妮以連卡佛大中華區品牌大使的身份出席連卡佛165周年慶典 。同年11月，倪妮與彭於晏再次合作領銜主演由郭子健執導、根據小說《悟空傳》改編的同名電影《悟空傳》，倪妮出演女主角紫霞 。 2016年1月21日，由張藝謀監制張末執導，倪妮與霍建華***同領銜主演的的奇幻治愈系電影《28歲未成年》開機拍攝 。3月底，倪妮主演由徐克監制編劇、袁和平執導的古裝奇幻電影《奇門遁甲》 。