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》,她在片中飾演的律師李雨燃原本高傲冷酷、我行我素,卻在一次意外車禍之后體驗了七天不一樣的人生,繼而重新審視了自我。
2017年,桂綸鎂與陳學冬、張孝全、蔣夢婕聯袂主演了反電信詐騙電影《巨額來電》,她在片中則飾演干練性感、手段殘酷的詐騙集團核心人物劉麗芳。
2018年,桂綸鎂與胡歌、廖凡、萬茜聯袂主演了現代劇情片《南方車站的聚會》。
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