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。フランス「JAPAN EXPO」に歌手・モデルの両方で出演。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。日露文化交流アンバサダーに就任。韓国・台湾・アメリカにてFes出演。
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。
Asia Song Festivalに日本代表として出演。「それいけ!アンパンマン」シリーズ通算第20作「妖精リンリンのひみつ」でリンリン役を担当。
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。
2009年フルオーケストラとのコラボレーションライブ「New Classic GIG」出演。
2010年Hong Kong International Trade & Exhibition Centreにてワンマンライブ開催。
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。ブルーノート東京・名古屋に初出演。
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、チケットは数日で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年には歌手デビュー15周年公演「COLORS」を上海・マレーシア・メキシコ・チリ・東京・名古屋で開催し、記念グッズとして「MY MELODY meets ANNA TSUCHIYA」を発売。
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。
2019年は7月に出演映画「DINER ダイナー」公開。夏から秋にかけて中国ツアーを実施し、各地SOLD OUTとなっている。
ソロデビュー15周年を迎える2020年にはブルーノート東京・名古屋でのバースデーライブが決定している。
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「フリー・ザ・チルドレン・ジャパン」アンバサダーや江東区の「脱・孤育てシンポジウム」等、子育てに奮闘中の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を行動にしている。
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