2002年,还是学生的桂纶镁便出演了个人的首部电影作品《蓝色大门》。
2005年,桂纶镁主演了文艺片《经过》。
2007年,凭借主演周杰伦的导演处女作《不能说的秘密》被观众熟知。
2008年,因主演喜剧片《女人不坏》而赢得更多发展机会。
2012年,桂纶镁凭借爱情片《女朋友·男朋友》获得第49届台湾电影金马奖和第55届亚太影展双料最佳女主角。
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》。