1988年8月8日出生于南京的倪妮，小学就读于南京长江路小学，初中考入南京九中，高中就读于南京市梅园中学，高三转到盱眙中学。2007年考入中国传媒大学南广学院，于2011年6月毕业。在校期间她是国家二级游泳运动员，还获得过江苏省国际标准舞冠军。
2009年11月，学习播音主持的倪妮参加《金陵十三钗》剧组演员选拔，在众多参选人中获张艺谋赏识担任片中女主角玉墨，并加以三年时间秘密演艺培训。
2015年1月24日，倪妮参与的真人秀节目《奇妙的朋友》在湖南卫视首播，并首度演唱其主题曲《你有没有听到我》；4月11日，出席新浪娱乐15周年庆典并获得“杰出青年”；28日，倪妮拍摄的《似水年华》创意人物片在models.com（世界模特排行网站）刊登，该片通过记录五位人物的青春年华，向世界展示“不一样的北京故事”；8月，与阿德里安·布洛迪合作主演的爱情喜剧电影《曼哈顿爱情故事》在美国纽约开拍；8月20日，其主演的浪漫爱情喜剧电影《新娘大作战》上映，影片中倪妮首次挑战喜剧角色，饰演泼辣任性唯我独尊的微店店主马丽，并演唱改编自《今天你要嫁给我》的片尾曲。
2016年11月18日，中法合拍的3D奇幻动作冒险电影《勇士之门》上映，她在片中饰演灵动调皮且可爱正义的公主苏琳；随后，与张震、廖凡合作主演电影《雪暴》在长白山拍摄；12月9日，主演的爱情片《28岁未成年》上映，倪妮饰演女主角凉夏。
2017年6月，搭档陈坤主演根据天下归元小说《凰权》改编的古装权谋剧《凰权·弈天下》，她在剧中饰演坚忍与智慧并存的前朝遗孤凤知微，这是她首次出演电视剧；7月13日，倪妮主演改编自今何在同名小说的古装神话动作片《悟空传》上映，其在片中饰演了仙女紫霞；12月15日，由其主演的古装奇幻3D电影《奇门遁甲》上映，她在片中饰演侠女铁蜻蜓。
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