東京都の生まれ。ポーランド系アメリカ人の父と日本人の母を持つハーフ。モデルをしていた実姉・アンジェラに誘われ、1998年にファッション誌『SEVENTEEN』の専属モデルとしてデビュー。流行に敏感な少女たちの熱狂的な支持を得る。2003年製作の石井克人監督「茶の味」（公開は04年）で女優としてもデビューし、山間の静かな町に暮らす風変りな一家の長男が恋をする転校生の美少女に扮した。翌04年には中島哲也監督「下妻物語」で、深田恭子とともにダブル主演。茨城県下妻を舞台に、ロリータファッションに身を包む孤高の女子高生・桃子（深田）と奇妙な友情で結ばれる純情なヤンキー娘・イチゴをのびのびと演じ、キネマ旬報賞、ブルーリボン賞、毎日映画コンクールなど７つの新人女優賞を独占。華々しいスタートを切る。同年６月にモデルのジョシュアと結婚。11月に長男を出産するなど、私生活でも話題を振りまいた。05年には布川敏和監督「バッシュメント」で主演するほか、後藤ひろひと作、G2演出の『ダブリンの鐘つきカビ人間』で初舞台を踏む。また、ミニアルバム『Taste My Beat』をリリースして本格的な音楽活動も開始。06年には再び中島監督と組んだ「嫌われ松子の一生」に女囚役で出演している。日本テレビのアニメ『NANA』には大崎ナナの歌唱キャストで参加し、担当した主題歌『rose』はオリコンチャートで最高位６位を記録。フランス・パリで行なわれた“JAPAN EXPO”でのライブや、サマーソニックなど日本のロックフェスにも出演し、多彩な活躍を見せる。07年の蜷川実花監督「さくらん」では、気風のよさと美貌でのし上がる花魁・きよ葉役で主演。同年の塩田明彦監督「どろろ」では妖艶な妖怪・鯖目の奥方を演じた。08年には三たび中島監督の「パコと魔法の絵本」に強面の看護師役で出演したほか、「それいけ！アンパンマン・妖精リンリンのひみつ」で声優にも挑戦。マイケル・アリアス監督「ヘブンズ・ドア」09、崔洋一監督「カムイ外伝」09を経て、短篇オムニバス「ブルー・パシフィック・ストーリーズ」09の一篇「フィッシュ・ボーン」では初監督もつとめた。06年にジョシュアと離婚後、10年３月にはスタイリストの男性との間に子供をもうけ、現在は２児の母である。

2015年3月下旬映画業界決算特別号	カラーグラビア　煌めきの女優たち:土屋アンナ「GONINサーガ」
2007年3月上旬号	巻頭特集　「さくらん」:土屋アンナ　インタビュー
2006年1月上旬新春号	HOT SHOTS:土屋アンナ
2005年2月下旬決算特別号	特別カラー・グラビア　個人賞受賞者インタビュー:新人女優賞　土屋アンナ