早年经历
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。
演艺经历
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，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7月，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8月，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4月，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6月22日，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2月，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1月，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1月，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4月17日，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7月开始，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%》。
2018年9月25日，结束了为期6年半的担任新闻节目《NEWS ZERO》播音员的生涯。
个人生活
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。
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；7月6日，桐谷美玲在社交平台发文宣布自己顺利生产，是个男宝宝，母子平安。
学业
2015年3月，从フェリス女学院大学毕业，已是入学的第7年。