在小学阶段，于班级中并非引人注目的存在，学业成绩始终维持着不错的水平，但在体育方面则完全不在行，各项运动都显得较为吃力。随着家庭搬迁至大阪居住，周围环境与生活氛围的变化，使得其性格逐渐转向开朗与外向。升至中学二年级时，又随家人返回千叶县生活。也就是在中学二年级这一年，开始佩戴隐形眼镜，以适应日常生活的便利。升入高中之后，由于内心仰慕的一位学长正担任学校橄榄球部的经理人，受此影响，也决定加入橄榄球部并承担起经理人的职责，协助处理部内的日常事务。身高的增长大约在2006年左右趋于停止。进入高中校园后，也开始逐步接触并尝试化妆技巧与染发，探索起个人外形的多样可能。在高一年级的那年夏天，一次偶然的机会，在学校附近被一家演艺事务所的星探主动搭话，从而开启了与演艺行业相关的新契机。
在2005年，当时还是一名高中一年级学生的她，凭借出众的外貌被评选为“千叶No.1美少女”。她一边在千叶县的高中就读，一边开始接触演艺相关工作，并曾在自己学校原先的橄榄球部担任经理职务。2006年2月，她通过参演电影《春天居住所》正式踏入演艺圈；同年4月，她成为女生时尚杂志《SEVENTEEN》第16号期的专属模特，自此开启了她的模特生涯。从4月到6月，她作为固定演员出演了电视剧《吉祥天女》，随后在7月和8月又分别出演了电视剧《怪谈新耳袋》和《东京少女》。到了10月，她进一步成为《早耳トレンドNo.1》栏目的常驻嘉宾。2007年7月，她出演了电视剧《花样少男少女》。2008年5月，她接连参演了两部电影，分别是《同级生》和《体育馆宝贝》。2009年8月，她出演了电影《山形尖叫》；同月，她还出演了电视剧《粉红系男孩》的夏季篇，并在10月13日继续出演了该剧的秋季篇。2010年4月，她通过电视剧《女帝薫子》实现了首次担任电视剧主演的目标；紧接着在5月，她又凭借电影《音乐人》首次担当电影主演。同年9月，她主演了电影《好想告诉你》。2011年6月22日，她发行了个人的首张单曲《Sweet & Bitter》，拓展了音乐领域的活动。7月，她出演了电视剧《荒川爆笑团》；8月，她主演了两部电影《乱反射》和《雪片莲》；同年8月31日，她结束了长达五年的专属模特生涯，从时尚杂志《SEVENTEEN》毕业。9月，她出演了TBS的纪录片《情热大陆》。2012年2月，她主演了电影《荒川爆笑团》；3月，她成为了《non-no》的专属模特。4月，她开始担任新闻节目《NEWS ZERO》的播音员；10月，她出演了电视剧《GTO秋季特别篇》。12月，在美国电影网站TC Candler每年定期发布的《2012世界最美脸蛋榜单》榜单中，她首次入选便位列第12名。同年，她还挑战了舞台表演，出演了个人的舞台剧处女作《新幕末纯情传》。2013年1月，她出演了电视剧《APOYAN～奔跑吧国际机场》；10月，她在由木村拓哉主演的电视剧《安堂机器人》中饰演了反派机器人一角。2014年1月，她出演了大河剧《军师官兵卫》；4月，她出演了电视剧《死神君》；12月，她在法国巴黎拍摄并发行了个人首本写真集《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，她获得第8名，创下了当时日本人在该榜单中的最高纪录。2015年4月17日，她主演的电影《恋爱中的吸血鬼》上映；4月20日，她从《non-no》杂志的专属模特身份毕业；此后，她开始担任《GINGER》、《BAILA》等时尚杂志的专属模特。9月，她主演了由美国Netflix与日本富士电视台合作推出的原创电视剧《Underwear》。10月，她荣获第28届日本眼镜最佳搭配奖的演艺界女性部门奖。2016年7月开始，她主演了富士电视台的月九剧《有喜欢的人》。2017年12月，她主演了电影《复仇女孩》；同年，她还主演了电视剧《外貌协会100%》。2018年9月25日，她结束了为期六年半的新闻节目《NEWS ZERO》播音员工作。2022年3月7日，她宣布将于3月31日与甘力事务所的合约到期，并正式退社，未来计划以模特活动作为事业中心。2023年5月4日，她出演了日本电视台的综艺节目《1日1便 乗ってきました》；同年9月14日，她参演的电影《小红帽在旅途中遇到尸体》也与观众见面。
桐谷美玲曾多次表示，在繁忙的演艺工作之外，家中的爱犬是她生活中最重要的快乐源泉，她格外珍惜与爱犬共同度过的那种悠闲而惬意的放松时光。2018年6月3日，三浦翔平在一次写真集的签售活动上，首次向公众坦诚了他与桐谷美玲的恋爱关系，正式承认两人正在交往。当被问及当时传闻中所说的将于当日登记结婚的消息时，他谨慎地回应称“所有事宜都尚未最终确定”。随后在同年的7月24日，桐谷美玲与三浦翔平正式办理了入籍手续，结为夫妻。进入2020年后，桐谷美玲于2月4日对外公布了怀孕的喜讯；紧接着在7月6日，她通过个人社交平台发文，向广大粉丝报告了自己已顺利分娩的消息，迎来了一个健康的男宝宝，当时母子二人的状态都十分平安。此外，回顾其学业历程，桐谷美玲于2015年3月成功从フェリス女学院大学毕业，而那时距离她入学已经过去了七年时光。
作为女性时尚杂志《SEVENTEEN》的专属模特，桐谷美玲在长达五年半的时尚领域浸润与熏陶下，已然成长为一位风格独具且经验丰富的穿衣搭配高手。在爱情电影《100次哭泣》于东京举办的一场专门面向女性观众的限定试映会上，被观众们亲切称作“小号新垣结衣”的影片女主角桐谷美玲亲临现场。当天，她以一袭设计精巧的抹胸式镂空红花连衣裙亮相舞台，整体造型完美衬托出其玲珑身段，淋漓尽致地展现出了精致又妩媚的小女人韵味。桐谷美玲的面容天生带有一种如同小动物般的可爱与乖巧气质，这种独特的亲和力为她赢得了自十几岁至二十几岁广泛女性群体的喜爱与支持，甚至她个人的初次恋爱经历也一度成为公众热议的话题。在演艺界内，桐谷美玲一直被业内人士视为颇具潜力与发展前景的演员。而在摄影镜头之外，生活中的她更是一位涵养丰富、品味出众的知性女性。身为日本备受瞩目的女演员兼模特儿，桐谷美玲凭借其五官精致的相貌与纤细匀称的身材，不仅成为众多品牌商争相邀请的代言宠儿，也频繁活跃于各类杂志画报及广告拍摄中，在业界内外均拥有着令人惊叹的超高人气。