1983年出生于臺灣的桂綸鎂從小便開始學習芭蕾舞表演，在就讀于薇閣高中期間桂綸鎂開始擔任學校戲劇表演活動的組織者，在讀高二時她還是學校熱舞社的成員，一次偶然的機會她被正在尋找自己新片女主角的導演易智言發現，在經過一系列表演課程的培訓之后，桂綸鎂順理成章的擔任了易智言執導的青春片《藍色大門》的女主角，就此也開始了自己的表演生涯，高中畢業后，在同時考上臺北藝大戲劇系和淡江大學法文系的情況下，桂綸鎂最終選擇了淡江大學法語文學系，2004年桂綸鎂被選為交換生前往法國里昂第三大學留學深造 ?。

　　2002年，還是一名高中生的桂綸鎂便出演了個人的首部大銀幕作品，她在與陳柏霖搭檔主演的青春愛情片《藍色大門》中飾演了女主角孟克柔 ?，桂綸鎂也由此開始了個人的演藝生涯。

　　2003年，桂綸鎂客串出演了由梁朝偉、楊千嬅主演的根據幾米同名漫畫改編的都市言情片《地下鐵》。

　　2005年，桂綸鎂與戴立忍搭檔主演了以臺北故宮博物院為題材的劇情片《經過》，片中桂綸鎂飾演了臺北故宮助理研究員阿靜。

　　2006年，桂綸鎂出演個人的第一部電視劇作品，她與黃河、關勇、李烈共同出演了校園話題劇《危險心靈》，并在劇中飾演了問題女學生艾莉 ?；同年11月，桂綸鎂還擔任了臺灣國際影視博覽會的影視大使，并為博覽會拍攝了宣傳海報 ?。

　　2007年，桂綸鎂出演了周杰倫自導自演的愛情奇幻片《不能說的秘密》，片中桂綸鎂飾演了清新脫俗的神秘少女路小雨 ?，桂綸鎂也因此而被更多的觀眾所熟知；同年，桂綸鎂還出演了浪漫愛情片《最遙遠的距離》，并 在片中飾演了清純可人的女主角小云 ?。

　　2008年，桂綸鎂先是與周迅、張雨綺聯袂主演了由徐克執導的愛情喜劇片《女人不壞》，片中桂綸鎂飾演了只愛虛擬情人的搖滾女孩鐵菱 ?，這部戲也使得桂綸鎂在華語影壇獲得了更多的發展空間；之后，桂綸鎂又與張震、戴立忍合作主演了劇情片《停車》 ?；同年，桂綸鎂還與藍正龍、林佑威、鄭有杰共同主演了都市偶像劇《波麗士大人》，并在劇中飾演了性格內向的女主角黃方儀 ?；此外，桂綸鎂還出演了劇情短片《闔家觀賞》。

　　2010年，桂綸鎂先是與張翰、林辰唏、中孝介合作主演了都市愛情片《第36個故事》，并在片中飾演了喜歡咖啡與甜點的咖啡店女孩朵兒 ?；之后，桂綸鎂又與謝霆鋒、張家輝、陸毅共同主演了動作警匪片《線人》，桂綸鎂在片中與陸毅搭檔飾演一對黑幫夫妻 ?；同年5月，桂綸鎂又受邀擔任了臺北電影節的宣傳大使，并為電影節拍攝了一部3D短片 ?；此外，桂綸鎂還與李連杰、文章合作主演了都市文藝片《海洋天堂》，片中桂綸鎂飾演了四處漂泊的馬戲團女孩玲玲 ?。

　　2011年，桂綸鎂與李連杰、周迅、陳坤聯袂主演了由徐克執導3D武俠冒險片《龍門飛甲》，桂綸鎂在片中飾演了妖嬈性感的布嚕嘟 ?，這也是桂綸鎂首次出演的古裝武俠角色；同年6月，桂綸鎂還受邀擔任了上海電影節亞洲新人獎的評審；隨后，桂綸鎂又與陳坤、梁詠琪、江一燕合作主演了根據網絡小說《你肩膀上有蝴蝶嗎？》改編的奇幻愛情片《肩上蝶》，桂綸鎂在片中飾演了勇敢追求愛情的女主角白蘭 ?；同年，桂綸鎂還與郭富城、陳奕迅、劉若英、Angelababy共同主演了現代愛情片《全球熱戀》，并在片中飾演了因愛情打擊患上潔癖強迫癥的女主角Lily ?；此外，桂綸鎂還客串出演了言情片《星空》。

　　2012年，桂綸鎂與張孝全搭檔主演了都市愛情片《女朋友·男朋友》，并在片中飾演了看似粗魯卻內心纖細的女主角林美寶，桂綸鎂也憑借此角色獲得了第49屆臺灣電影金馬獎最佳女主角和第55屆亞太影展最佳女主角的雙影后的殊榮 ?。

　　2013年，桂綸鎂先是受邀擔任了第15屆臺北電影節的評委工作 ?；之后，桂綸鎂又與郭富城、夏雨、張震聯袂主演了懸疑劇情片《圣誕玫瑰》，并在片中飾演了身患殘疾且擁有復雜身世的鋼琴教師李靜 ?，桂綸鎂也憑借此角色再次獲得了臺灣電影金馬獎最佳女主角提名 ?；同年，桂綸鎂還與廖凡、王學兵合作主演了愛情懸疑片《白日焰火》，并在片中飾演了亦正亦邪的女主角吳志貞，該片則在之后的第64屆柏林電影節上獲得了最佳影片金熊獎 ?；此外，桂綸鎂還在與孫紅雷搭檔主演了年代愛情片《觸不可及》中飾演了性情溫婉卻又為愛癡狂的女主角寧待 ?。

　　2014年，桂綸鎂憑借《白日焰火》相繼獲得了第21屆北京大學生電影節最受歡迎女演員獎和最佳女主角提名 ?；第12屆中國長春電影節最佳女主角提名；并連續第三次獲得了臺灣電影金馬獎最佳女主角提名 ?；隨后，桂綸鎂又出演了現代劇情片《天涯知己》，并在片中飾演了女主角Vicky；同年8月15日，桂綸鎂還受邀擔任了臺灣金馬獎的形象宣傳大使 ?。

　　2015年，桂綸鎂主演了郭承衢的長片電影處女作《德布西森林》 ?；同年，桂綸鎂還與多位影人共同擔任了第52屆臺灣電影金馬獎的評委。

　　2016年，桂綸鎂主演了奇幻喜劇片《美好的意外》，而她在片中則首次挑戰喜劇角色，并與陳坤展開了一場啼笑皆非的奇幻之旅 ?。