2006年凭借电影《春天居住所》出道，并出演了电视剧《吉祥天女》和《东京少女》。2010年在电影《音乐人》中首次担任主演，同年首次主演了电视剧《女帝薫子》。2012年在美国电影评论网站TC candler评选的全球100位最美脸蛋中位列第12名。2013年再次入选该评选名列第46名。2016年，主演朝日电视台电视剧《澄和堇》，同年，主演夏季月九档剧集《有喜欢的人》。

                
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    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。