1998年モデルとしてデビュー。雑誌・テレビ・広告・ファッション・ショーやTV-CM等幅広く活動。

2002年Spin Aqua(Ki/oon Records)のボーカルとして歌手デビュー。

2004年には「下妻物語」に出演し、日本アカデミー賞新人賞・助演女優賞、ブルーリボン賞最優秀新人賞をはじめとする8個の賞を受賞。

2005年夏、歌手としてソロデビュー(avex)。デビュー時から「SUMMER SONIC」に5回出演するなどの日本国内にとどまらず世界各地でライブを実施し、ヨーロッパ43か国やアジア各国でCDをリリースするなど世界を視野に入れた活動を展開。同年、ディズニー映画「ハービー/機械じかけのキューピッド」では主人公のマギー・ペイトン役で日本語吹き替え初挑戦。「ダブリンの鐘つきカビ人間」で舞台初挑戦。

2006年にはアニメ「NANA」の歌唱キャストを務めた。アニメ「NANA」は世界中で放送・DVD発売される。

12月には布袋寅泰のアルバム「SOUL SESSIONS」に「QUEEN OF THE ROCK vs 土屋アンナ」で参加。

2007年に主演した映画「さくらん」(蜷川実花監督)はベルリン国際映画祭、香港国際映画祭等世界中で評価される。

2008年公開の映画「パコと魔法の絵本」はミュンヘン・アジアフィルムフェスト上映作品に選出されたほか、国内外で数々の賞を受賞。

2008年・2012年には「バイオハザード」のCG映画にて楽曲が使用された。

2011年には最強の女性アーティスト3人のコラボによる「Wonder Woman」に安室奈美恵 feat.AI&土屋アンナとして参加。

2011年～2012年にかけて仮面ライダーシリーズ生誕40周年記念作品「仮面ライダーフォーゼ」の主題歌を担当。

2014年にはTBS日曜劇場「S –最後の警官-」に出演。秋には「新宿Magic of Halloween」を新宿区と共催し、パレード＆ライブで新宿の街をジャック。12月には品川教会にて100人のクワイア(聖歌隊)を従えてゴスペルライブを開催。

2015年には8/29公開劇場版「S –最後の警官- 奪還 RECOVERY OF OUR FUTURE」、9/26公開「GONINサーガ」に出演。

12/9に初のカバーアルバム「NAKE’d ～Soul Issue～」を発売。7曲を一気に一発録音＆撮影した。

2016年8月には中国の上海・浅水湾芸術文化中心Q・HALL 大劇場でライブを行い、これは「ROAD TO ASIA」という日中韓のスターを迎える公演で、日本人初ワンマンライブとなった。日本円換算で10,000 円を超える高価格にも関わらずプラチナチケット化し、数日でSOLD OUT、あまりの人気ぶりに、中国公安から販売規制がかかる。

2017年は「歌手デビュー15周年ツアー」と銘打ってマレーシア・メキシコ・チリ・東京・名古屋で記念ライブを開催し、My Melody meets Anna Tsuchiyaの記念Ｔシャツも発売する。

2018年5月に「TGCファッションセレモニー2018 in国連NY本部」にモデルとして出演。12月にはインターネット「YOSHIKI CHANNEL」にてX JAPANのYOSHIKI氏の「伝説対談」にゲスト出演。

毎年クリスマスシーズンにはROCKとは別のアプローチでブルーノート東京・名古屋、ビルボードライブ大阪等でクリスマスライブを実施している。

また、様々なチャリティー活動に積極的に参加しており、中でも子を持つ母親という同じ立場の人に寄り添いたいという強い思いから東日本大震災の被災地への応援はずっと続けている。