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。2022年3月7日，宣布3月31日与甘力事务所的合约到期，正式退社，今后会以模特活动为中心。

2023年5月4日，出演日本电视台综艺节目《1日1便　乗ってきました》，9月14日，参演电影《小红帽在旅途中遇到尸体》。

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。

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桐谷美玲是女性时尚杂志《SEVENTEEN》的专属模特，接受过5年半时尚洗礼的她，是不折不扣的穿衣达人。（网易娱乐评论）

爱情电影《100次哭泣》在东京举行一场女性限定试映会，被誉为“小号新垣结衣”的女主角桐谷美玲出席。身着一件抹胸镂空红花裙登台的桐谷，彰显十足小女人的性感妩媚。（人民网评论）

桐谷美玲长得像小动物一样可爱乖巧，得到了十几岁到二十几岁女性的支持，她的第一次恋爱史已经成为话题。（腾讯娱乐评论）

桐谷美玲是圈内被看好的演员。镜头外的桐谷是一名不折不扣的知性美女。（搜狐娱乐评论）

日本女演员兼模特儿桐谷美玲，精致长相与纤细身材，让她不但成为各大代言宠儿，也时常拍摄杂志广告，拥有着超乎想像的高人气。（YES娱乐评论）