2002年，还是高中生的桂纶镁便出演了个人的首部大银幕作品，在与陈柏霖搭档主演的青春爱情片《蓝色大门》中桂纶镁饰演了女主角孟克柔。
2003年，桂纶镁客串出演了由梁朝伟、杨千嬅主演的由几米同名漫画改编的都市言情片《地下铁》。
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。
2006年，桂纶镁还出演个人的第一部电视剧作品，在与黄河、关勇、李烈共同出演的校园话题剧《危险心灵》中饰演了问题女学生艾莉。
2007年，桂纶镁出演了周杰伦自导自演的爱情奇幻片《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;同年，桂纶镁还在浪漫爱情片《最遥远的距离》中饰演了清纯可人的女主角小云。
