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”，并加以三年時間
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好成績，并且入圍第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(jié)主競賽單元，但不參加評比，只進行展映，倪妮在2012年2月13日隨導演張藝謀一起出席了柏林國際電影節(jié)。
2012年2月20日憑借《金陵十三釵》而走紅的倪妮屢登雜志封面，成為各大時尚雜志的封面女郎。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(zhí)導，劉恒編劇的電影《
殺戒》開拍，倪妮與劉燁共同主演。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，成為芭莎歷史上最年輕的封面女郎。7月26日參演愛情電影《
我想和你好好的》，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月在評花旦的評選活動中成功當選“新四小花旦”之一。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珠寶出席了素有“小奧斯卡”之稱的第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(zhí)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。55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?lián)蜸K-II大中華區(qū)（2014年下半年升級為亞洲區(qū)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(lián)想平板電腦攜手電影《我想和你好好的》主創(chuàng)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月底出演張一白執(zhí)導的電影《
匆匆那年》，飾演女主角方茴，與彭于晏合作，該電影改編自小說家九夜茴的同名小說。6月5日，倪妮出任國際著名休閑服品牌UNIQLO（中文名：優(yōu)衣庫）全球代言人，是該品牌大中華地區(qū)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(zhàn)》中國版在上海開機，倪妮飾演女主角之一。7月18日，倪妮出席了“瞬息?永恒――卡地亞(Cartier)時間藝術展”，繼劉德華后，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(fā)布會。12月18日，《匆匆那年》再次拿下單日票房冠軍，連續(xù)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》定于1月24日在湖南衛(wèi)視首播，倪妮并參與演唱該節(jié)目的主題曲《你有沒有聽到我》，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(zhàn)》定檔七夕8月20日全國上映記者發(fā)布會。4月9日，國際知名護膚品牌SK-Ⅱ官方正式對外宣布：原亞太區(qū)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周年慶典并榮獲“杰出青年”榮譽。4月16日，倪妮與《
勇士之門》劇組亮相北京國際電影節(jié)，倪妮確定出演由曾經執(zhí)導和編劇過經典電影《
這個殺手不太冷》的導演呂克?貝松編劇并監(jiān)制的中法合拍3D動作奇幻電影《勇士之門》女主角。4月28日，世界頂尖的權威模特排行網站models刊登了一組倪妮演繹的主題為《似水年華》的創(chuàng)意人物大片，此組片子通過記錄五位卓越人物的青春年華，向全世界展示“不一樣的北京故事”，而倪妮是其中的一位。4月29日，倪妮繼SK-II等國際代言后又拿下了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(qū)大面積投放。此外，倪妮還受RalphLauren品牌邀請，在紐約游覽駐足，5月4日參加時尚界奧斯卡MetBall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Dior2015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（AndyTennant）執(zhí)導，倪妮與奧斯卡影帝阿德里安?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，倪妮領銜主演的電影《新娘大作戰(zhàn)》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一致認可，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(qū)品牌大使的身份出席連卡佛165周年慶典。
