1994年春开始入沂源县体校学习业余射击，1996年自费进入山 东淄博市体校，启蒙教练周士兵。1998年，进入山东省射击队，跟随王德文教练进行专业的射击训练，同年参加山东省第十九届运动会获女子40 发气步枪第二名。

2002年，杜丽入选中国国家队。同年获得射击世锦赛女子10米气步枪个人亚军、团体冠军；釜山亚运会女子步枪3x20个人、团体冠军；射击世界杯美国站女子步枪3x20第三名；射击世界杯中国站女子10米气步枪第三名的奖项。

2003年6月，杜丽参加射击世界杯克罗地亚站女子10米气步枪金牌并以504.9环打破世界纪录 ，10月在射击世界杯总决赛中获得女子10米气步枪个人亚军。

2005年5月，杜丽参加射击世界杯美国站获得10米气步枪金牌；6月，获得射击世界杯米兰站10米气步枪金牌，8月射击世界杯总决赛(慕尼黑)女子10米气步枪金牌；11月，在东亚运动会获得女子10米气步枪金牌。2004年2月，获得射击世界杯曼谷站女子10米气步枪银牌；8月，代表中国队参加雅典奥运会，获得女子10米气步枪金牌，为中国代表队在雅典奥运会夺得首金。10月，在曼谷举行的射击世界杯总决赛中获得女子10米气步枪金牌。同年进入山东理工大学体育学院运动训练专业学习。

2006年6月，杜丽以0.1环的优势力压德国选手普费尔施费特夺射击世界杯米兰站金牌。

2007年4月，杜丽在射击世界杯悉尼站比赛中一路领先，两次打出10.8环的成绩，并且在决赛中打出最好的103.3环的成绩，加上预赛的399环，最终以502.3力压群芳，摘得女子10米气步枪金牌。

2008年8月9日，杜丽在北京奥运会女子10米气步枪比赛中仅获得第五名，卫冕失败；8月14日在50米运动步枪三姿的比赛中以总成绩690.3环破奥运会纪录夺得金牌。2012年折戟伦敦奥运会后，杜丽向国际射联申报了暂时退役申请。

2015年1月，杜丽宣布重回国家队开始训练，备战里约奥运；9月，在里约奥运会的第一阶段选拔赛上，杜丽在10米气步枪的比赛中总积分排名第三，顺利晋级，获得了参加里约奥运会的初步资格。

2016年3月28日，最后阶段的里约奥运选拔赛在北京射击馆进行。在女子10米气步枪第三阶段预选赛中，杜丽虽然表现不佳，但还是凭借三个阶段的总体发挥以132分获得第二名，时隔8年再次获得奥运会参赛资格。

2016年8月6日，杜丽在里约热内卢奥运会中获得女子10米气步枪银牌。

2016年8月12日，在里约奥运会女子50米步枪三姿比赛中，杜丽获得了一枚铜牌。在赛后的新闻发布会上，杜丽宣布退役。

2017年07月，杜丽出任国家射击队女子步枪教练。

2017年11月21日，北京冬奥组委运动员委员会成立，杜丽当选运动员委员会委员。

2018年1月24日政协第十二届全国委员会常务委员会第二十四次会议通过，任命杜丽为中国人民政治协商会议第十三届全国委员会委员。

2017年1月4日，杜丽入围2016年度授予体育运动荣誉奖章的运动员名单。

2016年10月10日，2016年射击世界杯总决赛，在女子50米步枪三姿较量中，杜丽摘铜。

 2016年11月11日，里约奥运中国运动员影响力排行榜，杜丽排名第16位。

2008年12月31日，庞伟首次坦白恋情，并大方的表示自己就喜欢杜丽这样的女孩，杜丽与庞伟恋情正式公诸于众。2009年11月29日，杜丽与庞伟在保定举行婚礼，成为了新中国体育史上的第一对奥运冠军夫妇 。2010年8月8日上午11点28分，杜丽在济南千佛山医院剖宫产下一子 。

2006年，杜丽出任家乡山东省淄博市的希望工程形象大使，并设立“杜丽基金”，用于帮助特困生。

2008年9月9日，杜丽参加杨受成慈善基金奖励北京奥运会金牌运动员颁奖仪式。 

2010年3月19日，杜丽参加北京千禧大酒店举办中国运动员教育基金体育明星慈善夜。