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，凭借电影《春天居住所》出道；4月，从女生时尚杂志《SEVENTEEN》的第16号期，正式成为该杂志的专属模特。4月~6月，作为固定演员出演电视剧《吉祥天女》，同年7月、8月，分别出演了电视剧《怪谈新耳袋》和《东京少女》。10月，成为了《早耳トレンドNo.1》栏目的常驻嘉宾。
2007年，出演电视剧《花样少男少女》。2008年5月，出演了电影《同级生》和电影《体育馆宝贝》。
2009年，出演电影《山形尖叫》。8月，出演电视剧《粉红系男孩》夏季篇，并在10月13日，出演了该剧的秋季篇。
2010年，通过《女帝薫子》，实现了首次电视剧主演，5月，通过《音乐人》，实现了首次主演电影。9月，主演电影《好想告诉你》。
2011年，发行了个人的首张单曲《Sweet & Bitter》。7月，出演电视剧《荒川爆笑团》，8月，主演了两部电影《乱反射》和《雪片莲》，同年8月31日，从做了5年专属模特的时尚杂志《SEVENTEEN》毕业。9月，出演TBS纪录片《情热大陆》。
2012年，主演电影《荒川爆笑团》，3月，成为了《non-no》的专属模特。4月，担任新闻节目《NEWS ZERO》的播音员，10月，出演电视剧《GTO秋季特别篇》。12月，在美国电影网站TC Candler每年定期发表的《2012世界最美脸蛋榜单》中，首次入选，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，出演电视剧《APOYAN～奔跑吧国际机场》，10月，在木村拓哉主演的电视剧《安堂机器人》中饰演反派机器人。
2014年，出演大河剧《军师官兵卫》，4月，出演电视剧《死神君》，12月，在法国巴黎拍摄了第一部写真集《失恋、旅行、パリ。》。同年，在美国电影网站TC Candler每年例行举办的“世界最美100人”评选中，获得第8名，为日本人的中最高纪录。
2015年，主演电影《恋爱中的吸血鬼》，4月20日，从《non-no》杂志的专属模特毕业；之后，开始担任《GINGER》《BAILA》等时尚杂志的专属模特。9月，主演美国Netflix与日本富士电视台合作的原创电视剧《Underwear》。10月，获得第28届日本眼镜最佳搭配奖的演艺界女性部门奖。
2016年，主演富士电视台的月九剧《有喜欢的人》。2017年12，主演电影《复仇女孩》；同年，主演电视剧《外貌协会100%》。
2017年，参演的电视剧《大众之敌》开播。12月，桐谷美玲出席新片《复仇女孩》宣传。
2018年，结束了为期6年半的担任新闻节目《NEWS ZERO》播音员的生涯。10月6日，在福冈县参加“TGC KITAKYUSHU 2018 by TOKYO GIRLS COLLECTION”时装秀。
2020年，参演的电视剧《毛骨悚然撞鬼经，2020特别篇》定档在日本富士电视台首播。
复仇女孩2017-10-31 饰演宝石美辉 导演三木康一郎 主演清原翔
暗杀教室：毕业篇2016-03-25 饰演雪村 导演羽住英一郎 主演山田凉介
恋爱中的吸血鬼2015-04-17 饰演キイラ 导演铃木舞 主演崔振赫、郑伊健
女主角失格2015-00 饰演松崎はとり 导演英勉 主演山崎贤人
女子战队2014-06-07 饰演赤木直子 导演福田雄一 主演藤井美菜
白色荣光最终篇：地狱犬的肖像2014-03-29 饰演别宫叶子 导演星野和成 主演伊藤淳史
朝昼晚2013-11-29 饰演阪元有三子 导演やまさき十三 主演国村隼
100次哭泣2013-06-22 饰演沢村佳美 导演广木隆一 主演大仓忠义
得买新鞋了2012-10-06 饰演八神スズメ 导演北川悦吏子 主演向井理
通灵者2012-10-06 饰演日向キラリ 导演平川雄一朗 主演松坂桃李
名侦探柯南：第11个前锋2012-04-14 饰演香田薫(配音) 导演静野孔文 主演高山南
逆转裁判2012-02-11 饰演绫里真宵 导演三池崇史 主演成宫宽贵
荒川爆笑团2012-02-04 饰演ニノ 导演饭冢健 主演林遣都
白兔糖2011-08-20 饰演河地カズミ 导演SABU 主演松山健一
雪片莲2011-08-06 饰演真乃 导演谷口正晃 主演三浦贵大
乱反射2011-08-06 饰演嘉瀬志摩 导演谷口正晃 主演三浦贵大
心动舞台2011-03-19 饰演立花美姫 导演大谷健太郎 主演濑户康史
基因华尔兹2011-02-05 饰演青井ユミ 导演大谷健太郎 主演菅野美惠
好想告诉你2010-09-25 饰演胡桃沢梅 导演熊泽尚人 主演三浦春马
音乐人2010-05-15 饰演水野诗音 导演伊藤秀隆 主演佐野和真
谁吻了我2010-03-27 饰演ユミ 导演ハンス・カノーザ 主演堀北真希
山形尖叫2009-08-01 饰演镝木宙子 导演竹中直人 主演成海璃子
同级生2008-05-10 饰演早川希实 导演深川荣洋 主演中村悠一
体育馆宝贝2008-05-10 饰演早川希实 导演深川荣洋 主演中村悠一
红色文化住宅里的初子2007-05-12 饰演山口 导演タナダユキ 主演东亚优
春天居住所2006-02-11 饰演青山 导演秋原正俊 主演堀北真希
外貌协会100 17-04-13 饰演城之内纯 导演松山博昭、永山耕三 主演成田凌、水川麻美
有喜欢的人2016 饰演美咲 主演山崎贤人、三浦翔平、野村周平
澄和薰2016-01-00 饰演澄 导演-- 主演桐谷美玲
Underwear2015-09-02 饰演时田茧子 导演尾形竜太、叶山浩树 主演桐谷美玲、大地真央、酒井若菜
地狱老师2014-10-11 饰演高桥律子 导演佐久间纪佳 主演丸山隆平
毛骨悚然撞鬼经15周年特别篇2014-08-16 饰演滝本理沙 导演鹤田法男 主演菜菜绪
最后的家2014-07-20 饰演麻仓智子 导演藤井裕也 主演平泉成，冈田义德
死神君2014-04-18 饰演乌鸦 导演中田秀夫 主演大野智、桐谷美玲
军师官兵卫2014-01-05 饰演だし 导演田中健二 主演冈田准一
安堂机器人2013-10-13 饰演迷之美少女 / ARX IX 导演波多野贵文 主演木村拓哉、柴崎幸
齐藤太太22013-07-13 饰演山内摩耶 导演久保田充 主演观月亚理莎
神探伽利略22013-04-15 饰演矶谷若菜 导演西坂瑞城 主演福山雅治
廉价航班2013-03-01 饰演仓持友花 导演中岛悟 主演竹内结子
APOYAN～奔跑吧国际机场2013-01-17 饰演森尾晴子 导演堀江庆 主演伊藤淳史
GTO秋季特别篇2012-10-02 饰演藤崎志乃美 导演今井和久 主演黑泽良平
逝爱2012-05-28 饰演榎本ルリ子 导演野岛伸司 主演藤谷太辅
13岁的Hello Work2012-01-13 饰演真野翔子 导演高桥伸之 主演横山裕
HUNTER～那些赚奖金的女人们2011-10-11 饰演木村纯 导演村上正典 主演米仓凉子
荒川爆笑团2011-07-26 饰演ニノ(接二连珊) 导演饭冢健 主演小栗旬
THE MUSIC SHOW2011-01-02 饰演山崎薫 导演及川拓郎 主演沢村一树
虹色夏恋2010-07-19 饰演宫濑樱 导演泽田镰作 主演松本润、竹内结子
女帝薰子2010-04-25 饰演西村纱也 导演小松隆志 主演桐谷美玲
怀孕的女儿2010-03-06 饰演真野千鹤 导演常广丈太 主演笕利夫
粉红系男孩2009-08-01 饰演小针田雅 导演谷村政树 主演冈田将生
爱情游戏2009-06-18 饰演大冢穂波 导演冈本浩一 主演释由美子
被迫归来的33分侦探2009-04-04 饰演仓吉纪美 导演福田雄一 主演堂本刚
她成功的理由2009-03-07 饰演蛯原亜梨沙 导演小林和宏 主演堀北真希
男装的丽人2008-12-06 饰演脇坂文代 导演藤田明二 主演黑木明纱
法律最前线2007-09-22 饰演藤野麻里子 导演小林和宏 主演堀北真希
花样少年少女2007-07-03 饰演尼崎カンナ 导演松田秀知 主演堀北真希
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。（网易娱乐评论）
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。（人民网评论）
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。（腾讯娱乐评论）
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。（搜狐娱乐评论）
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。（YES娱乐评论）
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