2002年，还是一名高中生的桂纶镁便出演了个人的首部大银幕作品《蓝色大门》，饰演女主角孟克柔，小美也由此开始了个人的演艺生涯。

2005年，桂纶镁与戴立忍搭档主演了以台北故宫博物院为题材的剧情片《经过》，片中桂纶镁饰演了台北故宫助理研究员阿静。

2007年，桂纶镁出演周杰伦自导自演的电影《不能说的秘密》，片中桂纶镁饰演了清新脱俗的神秘少女路小雨，她也因此被更多的观众所认识。

2010年，桂纶镁与李连杰、文章合作主演《海洋天堂》，片中桂纶镁饰演了四处漂泊的马戏团女孩玲玲。

2010年，桂纶镁又与谢霆锋、张家辉、陆毅共同主演了动作片《线人》，桂纶镁在片中与陆毅搭档饰演一对黑帮夫妻，让观众见识到了一个不一样的小美。

2011年，桂纶镁与陈奕迅合作出演《全球热恋》，在片中饰演因爱情打击患上洁癖强迫症的女主角Lily。

2012年，桂纶镁与张孝全搭档主演《女朋友·男朋友》，在片中饰演看似粗鲁却内心纤细的女主角林美宝。桂纶镁也凭借此角色获得了第49届台湾电影金马奖最佳女主角。

2013年，桂纶镁与郭富城、夏雨、张震合作主演《圣诞玫瑰》，在片中饰演身患残疾且拥有复杂身世的钢琴教师李静。桂纶镁也凭借此角色提名台湾电影金马奖最佳女主角奖。

2013年，桂纶镁与廖凡、王学兵合作主演《白日焰火》，在片中饰演了亦正亦邪的女主角吴志贞。

2017年，桂纶镁与陈学冬、张孝全、蒋梦婕联袂主演《巨额来电》，她在片中则饰演干练性感、手段残酷的诈骗集团核心人物刘丽芳。