2005年，是高中1年级的时候，成为「千叶的NO.1美少女」，在电影「春の居场所」初次亮相。当时一边在千叶读高中，一边工作。高中时是橄榄球部的经理人。 2006年，在电视剧「吉祥天女」（朝日电视台）上演出变成话题，「东京少女」、「怪谈新耳袋」等接连不断演出。这个时候，也成为女子中学生时尚杂志「SEVENTEEN」（集英社）第16号专属模特儿（STmo）。 同年10月，「めざましテレビ」（富士电视台）里面的角色「耳朵灵No.1」成为了常规演出。 2010年、映画「音楽人」初主演、「女帝 薫子」（朝日电视台）完成了电视连续剧的初主演。

小学时在班级里并不显眼，成绩一直不错，但体育完全不行。搬到大阪居住以后性格开始变得明朗起来。中学二年级时回到了千叶县。在中学二年级时戴上了隐形眼镜。进入高中后，因为自己喜欢的前辈是橄榄球部的经理人，所以加入了橄榄球部当起了经理人。身高在2006年停止生长。进入高中后也开始尝试着化妆和染发。在高一的夏天，在学校附近被事务所的星探搭讪。

2005年，高中1年级时，当选“千叶No.1美少女”。边读千叶的高中边工作，在以前的橄榄球部里担任经理人。2006年2月11日，凭借电影《春の居场所》出道。同年4月15日到6月，作为固定演员出演电视剧《土曜ミッドナイトドラマ吉祥天女》，同年7月8日，出演了电视剧《ショートフィルム道怪谈新耳袋第5シリーズ》，同年8月20日，出演了电视剧《ショートフィルム道东京少女#4ヤドカリ少女》。同年8月22日，出演了电视剧《ほんとにあった怖い话夏の特别编2006「6番の部屋」》。同年10月，成为了《早耳トレンドNo.1》栏目的常驻嘉宾。同年11月11日，出演了电视剧《恋する日曜日ニュータイプ第6话想いを告白せよ！》。同年成为了面向女高中生的时尚杂志《SEVENTEEN》的专属模特。2007年1月6日，出演了电视剧《风の来た道》。同年1月27日，出演了电视剧《恋する日曜日第3シリーズレンズ越しの恋》，同年2月22日，出演了电视剧《きらきら研修医》第7集，同年5月12日，出演了电影《赤い文化住宅の初子》。同年7月3日，出演了电视剧《花ざかりの君たちへ?イケメン♂パラダイス?》，同年9月22日，出演了电视剧《土曜プレミアム出るトコ出ましょ!》，同年10月12日，出演了电视剧《花ざかりの君たちへ?イケメン♂パラダイス?スペシャル》。2008年5月10日，出演了电影《同级生》和电影《体育馆ベイビー》。同年12月6日，出演了电视剧《男装の丽人?川岛芳子の生涯?》。2009年3月7日，出演了电视剧《NTTドコモドラマスペシャルチャンス!?彼女が成功した理由?》。同年4月4日，出演了电视剧《帰ってこさせられた33分探侦》第11集。同年6月18日，出演了电视剧《LOVEGAME》第9集。同年8月1日，出演了电影《山形スクリーム》。同年8月1日，出演了电视剧《土曜ドラマオトメン（乙男）?夏?》。同年10月13日，出演了电视剧《土曜ドラマオトメン（乙男）?秋?》。2010年3月6日，出演了电视剧《第9回テレビ朝日21世纪新人シナリオ大赏临月の娘》，同年3月27日，出演了电影《谁かが私にキスをした》。同年4月25日，主演了电视剧《日曜ナイトドラマ女帝薫子》，同年5月15日，首次主演电影《音楽人》，同年7月19日，出演了电视剧《夏の恋は虹色に辉く》，同年9月25日，主演了电影《君に届け》2011年1月2日，出演了电视剧《ザ?ミュージックショウ》，同年2月5日，出演了电影《ジーン?ワルツ》，同年3月19日，出演了电影《ランウェイ☆ビート》，同年6月22日，发行了个人的首张单曲《Sweet&Bitter》。同年7月26日，出演了电视剧《荒川アンダーザブリッジ》，同年8月6日，主演了两部电影《乱反射》和《スノーフレーク》，同年8月20日，出演了电影《うさぎドロップ》，同年8月31日，从做了5年专属模特的时尚杂志《SEVENTEEN》毕业。同年9月，出演了TBS的电视节目《情热大陆》。同年10月11日，出演了电视剧《HUNTER?その女たち、赏金稼ぎ?》。2012年1月13日，出演了电视剧《金曜ナイトドラマ13歳のハローワーク》，2月4日，主演了电影《荒川アンダーザブリッジTHEMOVIE》，同年2月11日，出演了电影《逆転裁判》，同年3月，成为了《non-no》的专属模特。同年10月2日，出演了电视剧《GTO秋も鬼暴れスペシャル》。同年10月6日，出演了电影《ツナグ》和《新しい靴を买わなくちゃ》，同年12月，在美国电影网站TCCandler上，每年定期发表的《2012世界最美脸蛋榜单》中，第一次入选，位列第12名。同年，出演自己的舞台剧处女作《新幕末纯情传》。2013年1月17日，出演了电视剧《あぽやん?走る国际空港》，同年3月1日，出演了电视剧《金曜ロードSHOW!チープ?フライト》，同年5月13日，出演了电视剧《ガリレオ第2シーズン第五章「念波る」》，同年6月22日，出演了电影《100回泣くこと》，同年7月13日，出演了电视剧《斉藤さん2》，同10月13日，出演了电视剧《安堂ロイド?A.I.knowsLOVE??》，同年11月29日，出演了电影《あさひるばん》。2014年1月5日，出演了大河剧《军师官兵卫》，同年3月29日，出演了电影《チームバチスタFINALケルベロスの肖像》，同年4月18日，出演了电视剧《金曜ナイトドラマ死神くん》，同年6月7日，出演了电影《女子ーズ》，同年7月20日，出演了电视剧《プレミアムドラマ终の栖家》，同年8月16日，出演了电视剧《ほんとにあった怖い话15周年スペシャル「腕をちょうだい」》，同年10月11日，出演了电视剧《地狱先生ぬ?べ?》，同年12月1日，在法国巴黎拍摄了第一部写真集《失恋、旅行、パリ。》。2015年3月21日，出演了电影《暗杀教室》，同年4月17日，主演了电影《恋するヴァンパイア》，同年9月19日，主演了电影《ヒロイン失格》。参演《暗杀教室：毕业篇》。2016年，主演朝日电视台的电视剧《澄和堇》；主演夏季月九档剧集《好きな人がいること》。2017年12月23日，主演电影《复仇女孩》将在日本上映，片中饰演一名内在美和外在美兼备的优秀女性；同年主演电视剧《外貌协会100%》，剧中饰演城之内纯。

家庭桐谷美玲有一个弟弟。桐谷美玲称家中爱犬是其工作之余最大的乐趣，并表示很享受与爱犬一起度过的散漫时光。平日里她最大的乐趣是跟家里的两只爱犬一起嬉戏玩闹。此外，桐谷美玲还兴致勃勃地主动跟媒体朋友透露她与爱犬们玩耍时的方式，称其经常故意把玩偶扔到一边，等待着两只爱犬争先恐后地把玩具取回来。桐谷美玲一边描述着她与爱犬门一起玩耍时的画面，还一边不时露出害羞的表情。婚恋2018年6月3日，三浦翔平在写真集签售活动中，首次公开承认与桐谷美玲正在交往中。对于此前传闻中的将于6月3日登记结婚，他表示“一切还没有决定”。同年7月24日，桐谷美玲与三浦翔平正式入籍结婚。2020年2月4日，桐谷美玲宣布怀孕。

电视剧及时尚界

• 2014第18届日刊SPORTS奖电视剧最佳女助演死神君（获奖）
• 2014东京ネイルエキスポ2014ネイルクイーン（获奖）

桐谷美玲是女性时尚杂志《SEVENTEEN》的专属模特，接受过5年半时尚洗礼的她，是不折不扣的穿衣达人。爱情电影《100次哭泣》在东京举行一场女性限定试映会，被誉为“小号新垣结衣”的女主角桐谷美玲出席。身着一件抹胸镂空红花裙登台的桐谷，彰显十足小女人的性感妩媚。桐谷美玲长得像小动物一样可爱乖巧，得到了十几岁到二十几岁女性的支持，她的第一次恋爱史已经成为话题。桐谷美玲是圈内被看好的演员。镜头外的桐谷是一名不折不扣的知性美女。日本女演员兼模特儿桐谷美玲，精致长相与纤细身材，让她不但成为各大代言宠儿，也时常拍摄杂志广告，拥有着超乎想像的高人气。