千葉県の生まれ。地元の高校に通っていた2005年にスカウトされて芸能界入り。作家・鷺沢萌が遺した未完の小説をもとに、秋原正俊監督が映像化した「春の居場所」06で女優デビューする。次いでテレビ朝日の深夜ドラマ『吉祥天女』06などに端役で出演したのち、BS-i（現・BS-TBS）の短篇アンソロジー『怪談新耳袋』06、同局『東京少女』06それぞれの１エピソードで早くも主演を飾る。この頃からティーン向けのファッション雑誌『SEVENTEEN』の専属モデルとなり、女子中高生の間では知る人ぞ知る存在となっていった。以降も女優としては、タナダユキ監督「赤い文化住宅の初子」07、竹中直人監督「山形スクリーム」09、ハンス・カノーザ監督「誰かが私にキスをした」10などの映画に出演。08年、深川栄洋監督が同じ原作者の２本の小説を同一キャストでそれぞれ映像化した「同級生」「体育館ベイビー」の２作では、いずれも女子高生のヒロインを演じている。そして10年、佐野和真とともに初の主演をつとめた伊藤秀隆監督「音楽人（おんがくびと）」を経て、４月スタートのテレビ朝日『女帝・薫子』で連ドラ初主演を果たす。生き別れた母親を探して、銀座のクラブで働くホステスの世界に身を投じていく主人公・紗也を体当たりで演じ、ドロドロした女の争いの中でもピュアな気持ちを失わず、それでいてしたたかに生きていく芯の強さを表現した。その後も熊沢尚人監督「君に届け」10、大谷健太郎監督「ジーン・ワルツ」「ランウェイ☆ビート」11と出演映画が相次ぎ、11年夏公開予定のSABU監督「うさぎドロップ」のほか、谷口正晃監督「乱反射」「スノーフレイク」の主演映画２本も待機中。テレビドラマの出演作はほかに、NHK『風の来た道』07、フジテレビ『花ざかりの君たちへ・イケメン♂パラダイス』07、『チャンス！・彼女が成功した理由』『オトメン（乙男）』09、『夏の恋は虹色に輝く』10、テレビ朝日『臨月の娘』10、日本テレビ『ザ・ミュージックショウ』11など。ブルボン、ニンテンドーDS、東京ガスなどのCM出演、文化放送のラジオ番組『レコメン！／桐谷美玲のラジオさん。』のパーソナリティ、『SEVENTEEN』の連載をまとめた書籍『美玲さんの生活。』など多彩な活動も展開する傍ら、フェリス女学院文学部コミュニケーション学科でメディア論などを学んでいる。