1983年，桂纶镁出生在台湾。从小她便开始学习芭蕾舞表演，在就读于薇阁高中期间桂纶镁开始担任学校戏剧表演活动的组织者，在读高二时她还是学校热舞社的成员。
2002年，一次偶然的机会让还是一名高中生的桂纶镁被正在寻找自己电影女主角的易智言导演发现，在经过一系列表演课程的培训之后，桂纶镁顺理成章的在与陈柏霖搭档主演的青春爱情片《蓝色大门》中饰演了女主角孟克柔，而她也由此开始了个人的演艺生涯。
2003年，桂纶镁客串出演了由梁朝伟、杨千嬅主演，根据几米同名漫画改编的都市言情片《地下铁》。
2005年，桂纶镁与戴立忍搭档主演了以台北故宫博物院为题材的剧情片《经过》，片中她饰演了台北故宫助理研究员阿静。
2006年，桂纶镁完成个人首部电视剧作品，她与黄河、关勇、李烈共同出演了校园话题剧《危险心灵》，并在剧中饰演了问题女学生艾莉；11月，她还担任了台湾国际影视博览会的影视大使，并为博览会拍摄了宣传海报。
2007年，桂纶镁出演了周杰伦自导自演的爱情奇幻片《不能说的秘密》，片中桂纶镁饰演了清新脱俗的神秘少女路小雨，桂纶镁也因此而被更多的观众所熟知；同年，桂纶镁还出演了浪漫爱情片《最遥远的距离》，并在片中饰演了清纯可人的女主角小云。
2008年，桂纶镁先是与周迅、张雨绮联袂主演了由徐克执导的爱情喜剧片《女人不坏》，片中桂纶镁饰演了只爱虚拟情人的摇滚女孩铁菱，这部戏也使得桂纶镁在华语影坛获得了更多的发展空间；之后，桂纶镁又与张震、戴立忍合作主演了剧情片《停车》；同年，桂纶镁还与蓝正龙、林佑威、郑有杰共同主演了都市偶像剧《波丽士大人》，并在剧中饰演了性格内向的女主角黄方仪；此外，桂纶镁还出演了剧情短片《阖家观赏》。
2010年，桂纶镁先是与张翰、林辰唏、中孝介合作主演了都市爱情片《第36个故事》，并在片中饰演了喜欢咖啡与甜点的咖啡店女孩朵儿；之后，桂纶镁又与谢霆锋、张家辉、陆毅共同主演了动作警匪片《线人》，桂纶镁在片中与陆毅搭档饰演一对黑帮夫妻；同年5月，桂纶镁又受邀担任了台北电影节的宣传大使，并为电影节拍摄了一部3D短片；此外，桂纶镁还与李连杰、文章合作主演了都市文艺片《海洋天堂》，片中桂纶镁饰演了四处漂泊的马戏团女孩玲玲。
2011年，桂纶镁与李连杰、周迅、陈坤联袂主演了由徐克执导3D武侠冒险片《龙门飞甲》，桂纶镁在片中饰演了妖娆性感的布噜嘟，这也是桂纶镁首次出演的古装武侠角色；同年6月，桂纶镁还受邀担任了上海电影节亚洲新人奖的评审；随后，桂纶镁又与陈坤、梁咏琪、江一燕合作主演了根据网络小说《你肩膀上有蝴蝶吗？》改编的奇幻爱情片《肩上蝶》，桂纶镁在片中饰演了勇敢追求爱情的女主角白兰；同年，桂纶镁还与郭富城、陈奕迅、刘若英、Angelababy共同主演了现代爱情片《全球热恋》，并在片中饰演了因爱情打击患上洁癖强迫症的女主角Lily；此外，桂纶镁还客串出演了言情片《星空》。
2012年，桂纶镁与张孝全搭档主演了都市爱情片《女朋友·男朋友》，并在片中饰演了看似粗鲁却内心纤细的女主角林美宝，桂纶镁也凭借此角色获得了第49届台湾电影金马奖最佳女主角奖和第55届亚太影展最佳女主角奖的双影后殊荣。
2013年，桂纶镁受邀担任第15届台北电影节评委；同年，与郭富城、夏雨、张震联袂主演了悬疑剧情片《圣诞玫瑰》，在片中饰演身患残疾且拥有复杂身世的钢琴教师李静，桂纶镁凭借此角色再次获得了台湾电影金马奖最佳女主角提名；同年，桂纶镁还与廖凡、王学兵合作主演了爱情悬疑片《白日焰火》，并在片中饰演了亦正亦邪的女主角吴志贞，该片获得第64届柏林国际电影节金熊奖；此外，桂纶镁与孙红雷搭档主演了年代爱情片《触不可及》，在片中饰演性情温婉却又为爱痴狂的女主角宁待。
2014年，桂纶镁凭借《白日焰火》相继获得了第21届北京大学生电影节最受欢迎女演员奖和最佳女主角提名；第12届中国长春电影节最佳女主角提名；并连续第三次获得了台湾电影金马奖最佳女主角提名；随后，她还出演了现代剧情片《天涯知己》，并在片中饰演了女主角Vicky；8月15日，桂纶镁受邀担任台湾电影金马奖形象宣传大使。
2015年，桂纶镁主演了郭承衢的长片电影处女作《德布西森林》；同年，她还与多位影人共同担任了第52届台湾电影金马奖的评委。
2016年，桂纶镁主演了奇幻喜剧片《美好的意外》，她在片中饰演的律师李雨燃原本高傲冷酷、我行我素，却在一次意外车祸之后体验了七天不一样的人生，继而重新审视了自我；同年，与周迅、汤唯、刘若英合唱的歌曲《我要你好好的》获得了全球流行音乐金榜年度20大金曲奖。
2017年，桂纶镁与陈学冬、张孝全、蒋梦婕联袂主演了反电信诈骗电影《巨额来电》，她在片中则饰演干练性感、手段残酷的诈骗集团核心人物刘丽芳。
2018年，桂纶镁与胡歌、廖凡、万茜联袂主演了现代剧情片《南方车站的聚会》。
2020年，桂纶镁与杨佑宁搭档主演的现代剧情片《腿》在台北金马影展首映，而她也凭借该片获得了第57届台湾电影金马奖最佳女主角提名。
腿2020-11-5导演张耀升 主演杨佑宁
南方车站的聚会2019-12-6 饰演刘爱爱 导演刁亦男 主演胡歌、廖凡、万茜
巨额来电2017-12-08 饰演刘丽芳 导演彭顺 主演陈学冬、张孝全、蒋梦婕
德布西森林2016-10-28 饰演女儿 导演郭承衢 主演陆弈静
美好的意外 2016-08-12 饰演李雨燃 导演何蔚庭 主演陈坤、王景春、欧阳娜娜、王元也
触不可及2014-09-19 饰演宁待 导演赵宝刚 主演孙红雷、方中信、徐静蕾、蒋勤勤
白日焰火2014-03-21 饰演吴志贞 导演刁亦男 主演廖凡、王学兵、王景春、余皑磊
圣诞玫瑰2013-05-24 饰演李静 导演杨采妮 主演郭富城、夏雨、秦海璐
女朋友·男朋友2012-08-03 饰演林美宝 导演杨雅喆 主演张孝全、凤小岳、张书豪
龙门飞甲2011-12-15 饰演番邦公主 导演徐克 主演李连杰、周迅、陈坤、范晓萱
星空2011-11-03 饰演谢欣美(成年) 导演林书宇 主演徐娇、刘若英、庾澄庆、林晖闵
全球热恋2011-09-08 饰演Lily 导演陈国辉、夏永康 主演郭富城、陈奕迅、杨颖、刘若英
肩上蝶2011-07-08 饰演白兰 导演张之亮 主演陈坤、梁咏琪、江一燕
KEY2011 饰演女主角 导演戴立忍 主演未知
线人2010-08-24 饰演阿弟 导演林超贤 主演谢霆锋、张家辉、陆毅
海洋天堂2010-06-18 饰演玲玲 导演薛晓路 主演李连杰、文章、朱媛媛
第36个故事2010-05-14 饰演朵儿 导演萧雅全 主演张翰、林辰唏、中孝介
女人不坏2008-12-04 饰演铁菱 导演徐克 主演周迅、张雨绮、方中信、冯德伦
停车2008-11-28 饰演妻子 导演钟孟宏 主演张震、戴立忍、杜汶泽、高捷
阖家观赏2008-09-16 饰演女主角 导演郭承衢 主演李天柱、陆弈静、张榕容
不能说的秘密2007-07-27 饰演路小雨 导演周杰伦 主演周杰伦、黄秋生、曾恺玹
最遥远的距离2007-06-22 饰演小云 导演林靖杰 主演艾莉丝、莫子仪、贾孝国
经过2005-09-30 饰演阿静 导演郑文堂 主演戴立忍、荫山征彦、田丰
地下铁2003-12-18 饰演友情出演 导演马伟豪 主演梁朝伟、杨千嬅、董洁
蓝色大门2002-09-27 饰演孟克柔 导演易智言 主演陈柏霖、梁又琳、明金成
东方华尔街2018-5-24 饰演老爷（卢子健）前妻 导演黄国强 主演张孝全、吴镇宇
波丽士大人2008-10-03 饰演黄方仪 导演王小棣 主演林佑威、蓝正龙、郑有杰
危险心灵2007-06-26 饰演艾莉 导演易智言 主演蓝正龙、张书豪、郭世伦、黄河
2020 第57届台湾电影金马奖最佳女主角 腿 （提名）
2019 I-MAGAZINE亚洲时尚面孔排行榜第33位 （提名）
2018 I-MAGAZINE亚洲时尚面孔排行榜第43位 （提名）
2017 I-MAGAZINE亚洲时尚面孔排行榜第29位 （提名）
2018 第25届北京大学生电影节最佳女演员奖 美好的意外 （提名）
2014 第21届北京大学生电影节最受欢迎女演员奖 白日焰火 （获奖）
2014 第21届北京大学生电影节最佳女主角奖 白日焰火 （提名）
2016 全球流行音乐金榜年度20大金曲奖 我要你好好的 （获奖）
2015 第6届中国电影导演协会年度女演员奖 白日焰火 （提名）
2014 第51届台湾电影金马奖最佳女主角奖 白日焰火 （提名）
2013 第50届台湾电影金马奖最佳女主角奖 圣诞玫瑰 （提名）
2012 第49届台湾电影金马奖最佳女主角奖 女朋友男朋友 （获奖）
2014 第12届中国长春电影节最佳女主角奖 白日焰火 （提名）
2013 第7届亚洲电影大奖最佳女演员奖 女朋友·男朋友 （提名）
2012 第55届亚太影展最佳女主角奖 女朋友·男朋友 （获奖）
2012 第6届亚洲电影大奖最佳女配角奖 龙门飞甲 （获奖）
2013 第13届华语电影传媒大奖最佳女演员奖 女朋友·男朋友 （提名）
2013 第13届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目女演员奖 女朋友·男朋友 （提名）
2012 第12届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目女演员奖 龙门飞甲 （提名）
2010 第10届华语电影传媒大奖最具人气女演员奖 （获奖）
2012 第31届香港电影金像奖最佳女配角奖 龙门飞甲 （提名）
2012 第31届大众电影百花奖最佳女配角奖 龙门飞甲 （提名）
2008 娱乐大典年度电影新人(港台) （获奖）
2007 风尚年度女演员奖(台湾) （获奖）
2006 最简单偶像 （获奖）
从出演电影《不能说的秘密》开始，桂纶镁就给人一种清新自然的邻家女孩感觉，然而私底下的桂纶镁却是一个勇于挑战适应能力很强的人（广州日报评）。
桂纶镁是一个非常优秀的女演员，她在拍戏的时候既沉溺于角色又能够做到情绪到位，而且她在与任何演员合作对手戏时都能和对方达成很好的默契（金鹰网评）。
一部《蓝色大门》让纯真倔强的桂纶镁成为了台湾小清新女演员的代言人，清汤挂面，纯过蒸馏水的氧气小美女，是许多人对她的印象，桂纶镁不见得是个带给人惊艳的女生，但她的气质却总是能吸引住旁人的眼光，虽然说不出那是什么，但在她闪亮有力的眼神当中总能看到一颗企图心，而无论是她穿着校服弹奏钢琴，还是戴着耳机闭眼倾听，都已成为了文艺小清新的经典画面（网易娱乐评）。
