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前事務所を退所後はフリーであり主にモデルとして活動（後述）している。
前所属はスウィートパワー（2022年3月までの所属）。
夫は俳優の三浦翔平
2005年、高校1年生の時に自宅への電話によって「千葉のナンバーワン美少女」としてスウィートパワーにスカウトされた。
2006年、連続テレビドラマ『吉祥天女』（テレビ朝日）に出演し、その後も『東京少女』（BS-i）『怪談新耳袋』（BS-i）などに立て続けに出演。
この時、女子中学生・高校生向けファッション雑誌『Seventeen』（集英社）第16号（同年4月号）より同誌専属モデルになる。
同年10月より『めざましテレビ』（フジテレビ）内のコーナー「早耳トレンドNo.1」にレギュラー出演。
2011年、映画『乱反射』『スノーフレーク』で初出演を飾った
スタジオでのコメントに加えて冠コーナー「桐谷美玲 my generation」を担当し、
同年代の若者の間で話題になっている物事、活躍している人などさまざまなテーマを自ら現場取材しリポートした
仕事が多忙になったことに伴う2年の休学期間を挟み、入学から7年をかけて2015年3月に卒業した
また、退所後は主にモデルとして活動していくことも明かされた
約1年半の交際期間を経て2018年7月24日に婚姻届を提出し結婚、所属事務所を通じ翌7月25日、三浦との連名で報告した。
自身の29歳の誕生日となる同年12月16日にハワイで家族ら近親者のみで挙式し、東京都内のホテルで12月23日に披露宴を行った
7月6日、第1子男児の出産を自身のインスタグラムで報告
しかし、初週である27日と28日を欠席したことが話題になった。
仲良くなったきっかけはドラマ『アンダーウェア』での共演。
2017年9月2日の「第25回 東京ガールズコレクション 2017 AUTUMN／WINTER」では、
ランウェイ上で河北と桐谷が抱き合いキスする場面が見られた
かわいい
そりゃ俺も44歳なるわ
俺のお嫁さんになる準備はできたようだな