2003年，在校期间出演中央戏剧学院女导演姬沛执导的话剧《安妮日记》，饰演密普。

2005年，参演饶晓志执导的首部公演话剧作品《我贵姓？》。同年参演戴鹏飞执导的首部幽默情景话剧《自我感觉良好》，在剧中饰贾美女 。

2006年，参演精品时尚话剧《今年过节不收礼》。同年与濮存昕、陶虹主演易卜生创作的话剧《建筑大师》，该剧是第二届中国国家话剧院国际戏剧季“永远的易卜生”的开幕大戏。同年开始出演开心麻花系列舞台剧，在话剧《疯狂的石头》中客串角色。

2007年，主演话剧《谁都不许笑》，饰演苏菲 ，还参演话剧《满城就这一棵树》、《暗恋紫竹园》。

2008年，主演开心麻花微笑系列话剧《倒霉阿翔》、《甜咸配》。

2009年，与曹扬、包贝尔主演舞台剧《江湖学院》。还出演了话剧《索马里海盗》。

2010年，在李蔚然执导的喜剧电影《决战刹马镇》中饰演面饼老婆。在同年上映的喜剧电影《爱情维修站》中饰演风情万种的女孩橙橙。同年在湖南卫视元宵喜乐会上与何炅合作小品《超幸福鞋垫》获好评，被媒体评为“女版郭德纲”。

2011年，在曾黎、刘蓓主演的家庭情感剧《单亲妈妈的苦涩浪漫》中饰演米宝湘。同年与黄小蕾、那威主演家庭轻喜剧《喜事连连：剩男相亲记》，饰演男主角韩冰的发小儿陶燕。

2012年，出演赵晨阳导演，李小璐、任重主演的家庭情感剧《AA制生活》饰演梁碧华，一改喜剧路线，走知性职场女性路线。同年与柳岩合作第一部水果剧《香瓜七兄弟》。另外主演开心麻花系列爆笑舞台剧《乌龙山伯爵》、《夏洛特烦恼》。还参加了湖南卫视《百变大咖秀》，在节目中扮演过雪村、梅艳芳、郭富城。

2013年，首次参加央视蛇年春晚，与沈腾合作小品《今天的幸福2》，饰演马冬梅。在张庭、冯远征主演的都市爱情喜剧《男媒婆》中饰演喜欢潘高峰的女人莎莎。同年与姜武、颜丙燕主演家庭情感伦理轻喜剧《伙伴夫妻》，饰演生性浪漫多情且心直口快的韩凌。同年参演梁丹妮、吴越主演的年代历史剧《工人大院》。在都市轻喜剧《杨光的夏天》中饰演响红。

2014年，被冯小刚邀请，与沈腾主演央视春晚小品《扶不扶》。同年在容祖儿、钟欣桐、蔡卓妍主演电影《蹴鞠》中饰演谷一哥。

2015年2月17日，参加2015年中央电视台春节联欢晚会，在小品《投其所好》中成功塑造了马科长的形象。7月25日与沈腾搭档进入东方卫视《欢乐喜剧人》第一季总决赛，并凭借作品《行尸走肉》一举夺得冠军。9月参演年代传奇剧《战金岭》。同年与沈腾主演喜剧电影《夏洛特烦恼》，在片中饰演性格大大咧咧的体育生马冬梅；12月31日主演的喜剧电影《一念天堂》上映。

2016年，参演潘长江、倪景阳主演的电视剧《大年初一立春》，饰演李芒。与贾乃亮主演电影《东北往事之破马张飞》，电影于2017年2月10日全国上映，并且马丽演唱了电影主题曲《全世界都在说东北话》。同年与古天乐主演，由陈木胜导演的电影《喵星人》。为动画电影《冰川时代：星际碰撞》配音。

2016年5月，小米为Max系列宣传造势，请来开心麻花团队马丽、沈腾拍摄预热视频。

2017年6月，加盟东方卫视明星旅行体验综艺节目《旅途的花样》。9月13日，电影《羞羞的铁拳》曝光了一支《挨打修炼手册》MV，该曲由艾伦、马丽、沈腾合体演唱。9月30日，搭档艾伦、沈腾主演的电影《羞羞的铁拳》上映，最终票房突破22亿。此前由沈腾、马丽主演的喜剧电影《夏洛特烦恼》，以14.42亿票房及口碑优势成为当年国庆档黑马。凭借两部电影的超高票房，马丽也成功晋升为“双10亿电影女主角”。10月13日，电影《羞羞的铁拳》曝光由艾伦和马丽演唱的《虽然前途未卜，我愿陪你吃土》MV。10月15日，马丽参加《蒙面唱将猜猜猜》，演唱《漂洋过海来看你》。11月，担任第四届丝绸之路国际电影节“宣传大使”。12月，马丽参演的微博“最美表演”正片公布，饰演以为患有自闭症儿童的母亲。12月28日，马丽获腾讯白皮书“年度电影之星”。12月29日，电影《妖铃铃》上映，马丽献唱主题曲《天灵灵》。

2018年，马丽作为文联邀请的文艺工作者代表，以主持人身份亮相，与张蕾、任鲁豫等央视当家主持人，共同主持了中国文学艺术界联合会主办的“百花迎春—中国文学艺术界2018春节大联欢”晚会。1月5日，马丽加盟综艺《今夜现场秀》，并担当节目主持人。1月14日，马丽获中国电影报“年度票房贡献最高的女演员”称号。1月18日，马丽获得微博之夜年度最美表演荣誉。5月，马丽作为全球首位女代言人代言贪玩游戏旗下传奇类游戏《龙腾传世》。6月，与潘粤明、孙坚、李乃文等合作主演电视剧《逆流而上的你》，在剧中饰演刘艾；12月5日，确定搭档章宇主演由耿军执导的电影《东北虎》；12月29日，与佟大为、霍思燕合作主演的喜剧电影《手机狂响》上映。

2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，马丽与沈腾、艾伦、常远、魏翔表演小品《占位子》。