中国台湾电影演员。高中就读薇阁高中，大学毕业于淡江大学法国语文学系，曾于2004年9月前往法国里昂第三大学交换学生。高二时出演《蓝色大门》当中的“孟克柔”，跨出了她人生第一步表演生涯。2007年，在周杰伦电影导演处女作《不能说的秘密》中的担任女主角。2008年，出演徐克导演的电影《女人不坏》，在其中颠覆自己一贯的清新形象，以个性十足的摇滚歌手形象登场。2012年，凭借在影片《女朋友男朋友》中的出色表现获得第49届台湾电影金马奖最佳女主角殊荣。
2013年，凭借剧情片《圣诞玫瑰》第二次获得金马奖最佳女主角提名 。2014年，其主演的悬疑片《白日焰火》获得柏林影展金熊奖，她个人则凭借该片连续第三次获得台湾电影金马奖最佳女主角提名 。2015年，桂纶镁首次担任台湾电影金马奖评委 。2016年，桂纶镁主演了奇幻片《美好的意外》
