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。以角色“玉墨”主演的《金陵十三钗》以6.086亿取得2011年中国电影票房冠军的好成绩,并且入围第69届美国金球奖最佳外语片。同时《金陵十三钗》也入围了第62届柏林国际电影节主竞赛单元,但不参加评比,只进行展映,倪妮在2012年2月13日随导演张艺谋一起出席了柏林国际电影节。
2012年2月20日凭借《金陵十三钗》而走红的倪妮屡登杂志封面,成为各大时尚杂志的封面女郎。3月20日凭《金陵十三钗》获得第六届亚洲电影大奖最佳新演员奖。4月由章家瑞、竹卿执导,刘恒编剧的电影《杀戒》开拍,倪妮与刘烨共同主演。 5月30日凭《金陵十三钗》获第十二届华语电影传媒大奖最受瞩目女演员奖。6月17日凭借《金陵十三钗》获第21届上海影评人奖最佳女演员奖。7月17日,倪妮登上《时尚芭莎》八月刊封面,成为芭莎历史上最年轻的封面女郎。7月26日参演爱情电影《我想和你好好的》,倪妮与冯绍峰首次搭档演出。10月11日参加中国上海的”精彩OK名人香水展“,成为大陆首位拥有个人香水的演员。11月9日凭借电影《金陵十三钗》获华语青年影像论坛“年度新锐影人”。12月21日出席中国上海《红秀GRAZIA》100期派对,获年度潮流新势力大奖。2013年1月在评花旦的评选活动中成功当选“新四小花旦”之一。2月20日担任2013-2014秋冬系列Peuterey品牌友人。 2月23日,倪妮携手PIAGET珠宝出席了素有“小奥斯卡”之称的第28届美国电影独立精神奖颁奖礼。3月,所参演的由滕华涛执导的电影《等风来》开拍,倪妮与井柏然主演,饰演女主角程羽蒙。55月10日,出席中国上海的TOD’S限量珍藏图片展。 6月11-13日,在中国北京拍摄微电影《爱在线2》。6月所主演的由竹卿导演的电影《杀戒》开播,饰演“钢琴女神”。11月担任SK-II大中华区(2014年下半年升级为亚洲区代言人2015年已晋升为全球代言人)代言人及SK-II品牌大使。