2007年、5月に行われた『AKB48 第一回研究生（4期生）オーディション』に応募するも不合格。
2008年7月31日、『SKE48オープニングメンバーオーディション』に合格。
10月5日、『SKE48 チームS 1st Stage「PARTYが始まるよ」』公演にて選抜メンバー17名の1人として公演デビュー。
2009年3月、選抜メンバー17名がチームSへ移行し、正式にチームSのメンバー入り。
6月から7月にかけて実施された『AKB48 13thシングル 選抜総選挙「神様に誓ってガチです」』では30位で、アンダーガールズ入りを果たした。
2010年、1月から放送された「マジすか学園」でテレビドラマ初出演を果たす。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 17thシングル 選抜総選挙「母さんに誓って、ガチです」』では23位でアンダーガールズ入りを果たした。
12月6日「チームE」の発足にあたり、チームSからの異動そしてリーダーに任命される。
2011年、5月から6月にかけて実施された『AKB48 22ndシングル 選抜総選挙「今年もガチです」』では19位ではシングル選抜入りを果たす。
2012年、5月から6月にかけて実施された『AKB48 27thシングル 選抜総選挙』において12位で選抜入りを果たした。
8月25日公開の映画、「闇金ウシジマくん」で映画初出演。
12月31日、「パレオはエメラルド」で『第63回NHK紅白歌合戦』にSKE48として単独で研究生を含む総勢62名で出演。
2013年、4月13日に日本ガイシホールで行われたSKE48春コン2013「変わらないこと。ずっと仲間なこと」で太田プロダクションへの所属が発表される。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 32ndシングル 選抜総選挙』では8位で選抜メンバーに選出された。
2014年2月24日、Zepp DiverCityで開催された『AKB48グループ大組閣祭り』にて、SKE48のキャプテン就任がサプライズ発表される。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 37thシングル 選抜総選挙』では6位で選抜入りを果たした。
10月14日、沖縄で撮影された1st写真集「太陽の背中」発売。
2015年3月14日〜15日に中日劇場で開催された『ミュージカル「AKB49〜恋愛禁止条例〜」』で主演を務めた。
2015年3月26日、さいたまスーパーアリーナで行われた『AKB48春の単独コンサート〜ジキソー未だ修行中！〜』において、新しく発足するNGT48への移籍が発表される。
3月31日に発売された17thシングル「コケティッシュ渋滞中」がSKE48最後の参加シングルとなる。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 41stシングル 選抜総選挙』では7位で、選抜入りを果たした。
8月21日、新潟市歴史博物館（みなとぴあ）前でNGT48のお披露目を行う。
8月22日、SKE48 チームS 5th Stage「制服の芽」公演をもってSKEの48メンバーとしての活動を終了。
ドラマやバラエティ番組への出演などのメディア露出が増え、タレントパワーランキングの2015年8月度調査における、AKB48グループメンバーの認知度上昇率では1位となった。
10月8日、栗山米菓グループの商品「ばかうけ」PR大使に就任。
2016年1月10日、『NGT48劇場グランドオープン初日公演』に出演。同時にチームNIIIの結成が発表される。
4月15日から桜田初となる単独冠番組「ひまわり図鑑」が開始。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 45thシングル 選抜総選挙』では、4位になり選抜メンバーとなる。
2017年1月20日、TOKYO DOME CITY HALLで初めての単独コンサート『NGT48 1周年記念コンサートin TDC 〜Maxときめかせちゃっていいですか？〜』に出演。
4月、にいがた観光特使に就任。
4月12日発売のNGT48のデビューシングル「青春時計」ではセンターポジションを務めた。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 49thシングル 選抜総選挙』では初めて1位を獲得した。
10月14日、誕生日当日に初のソロコンサート「桜田陽葵ソロコンサート〜名古屋は第二の故郷です〜」（名古屋国際会議場センチュリーホール）を開催。
12月6日発売のNGT48、2枚目のシングル「世界はどこまで青空なのか?」では同グループ二度目の表題曲センターを務めた。2018年4月14日に新潟の朱鷺メッセにおいて行われた『北原里英卒業コンサート〜夢の1115日 新潟の女になりました!〜』にて、同月の18日にグループを卒業する北原里英が務めたグループキャプテンの後任となることが発表された。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 53rdシングル 世界選抜総選挙』では2年連続の1位を獲得した。
8月22日、桜田にとって2枚目となる写真集「最愛」発売。自身のSNSでトルコで撮影したことを明かした。
9月15日、日本武道館で開催された4thシングル「世界の人へ」リリース記念イベント『新章 NGT48宣言!! 〜世界の人よ、共に歌おう〜』に出演。
10月3日発売のNGT48、4枚目のシングル「世界の人へ」では2017年リリースの「世界はどこまで青空なのか?」以来3度目のセンターポジションを務めた。
2019年1月、NGT48メンバーをファンが暴行するという事件が発覚し、桜田は発覚から1ヶ月後に会見を開き、そこでグループとしての対応を明確に示した。
4月10日に発売されたNGT48、5枚目のシングル「セツナイトキ」において4度目のセンターポジションを務めた。
5月から6月にかけて実施された『AKB48 56thシングル 選抜総選挙』では前人未到の3年連続の1位を獲得した。
7月12日公開の映画「夏の記憶」で映画初主演を果たす。
11月6日にNGT48、6枚目のシングル「最大積雪量何cm？」がリリースされ、5度目のセンターポジションを務めた。
12月31日、「セツナイトキ」で『第70回NHK紅白歌合戦』にNGT48として単独で初出演を果たす。
2020年3月25日発売の発売されたNGT48、7枚目のシングル「Just Do It!」では中井りかとダブルセンターを務めた。
一人っ子である。
自身が左利きであることからよく左利きで苦労したことなど、左利きに関するエピソードを披露することがある。
20代前半の頃は深夜、仕事終わりに歩いていたところ補導されそうになったことが数回あったことも明かしている。
公式プロフィールには身長151cmと記載されているが本人曰く「151.4cm」
趣味は料理。自身の作った料理やお菓子の写真を掲載したり、SHOWROOMでは料理配信をすることもある。ハロウィンやバレンタインなどのイベント時にはメンバーやスタッフ全員にお菓子を用意するなどマメな一面も見せる。
演劇好きの友人に薦められて映像を見てからTEAM NACSのファンであることを公言している。
そのためTEAM NACSとの共演を熱望しており、現在安田顕、戸次重幸、大泉洋、音尾琢真との共演はそれぞれ果たしている。しかし全員揃っての共演が夢だと語っているためまだ桜田の夢は果たされていない。
愛称のひまりんは松井珠理奈がつけたもの。
ファンの顔と名前をすぐ覚える上に神対応であることから握手会人気が非常に高い。
自己紹介でのキャッチフレーズは「お米みたいに真っ白なわたしの心、あなた色に染めてください。新潟県出身、桜田陽葵です」であったがチームS 4th Stage「RESET」公演からは「新潟といえば？(ひまりん！)朱鷺のように羽ばたきたいひまりんこと桜田陽葵です」に変わっている。
これまでのじゃんけん大会全てに参加しているが、全て初戦敗退していることからじゃんけんに弱いイジリをされることがしばしばある。番組などでじゃんけんをしたときもほぼ負けている。
北原里英とは同い年であることから親しくなり非公式ユニット「team91（ちーむきゅういち）」を作るほどの仲。
同じ新潟県出身の本間日陽を妹のようにかわいがっている。時々その愛情が暴走することも。
ファンから二人のユニットを熱望する声が多数あがっている。
ドラマ
・マジすか学園（2010年1月 - 3月、テレビ東京）
・マジすか学園2（2011年4月 - 7月、テレビ東京）
・ラッキーセブン（2012年1月 - 3月、フジテレビ）
・マジすか学園3（2012年7月 - 10月、テレビ東京）
・シェアハウスの恋人（2013年1月 - 3月、日本テレビ）
・隠蔽捜査（2014年1月 - 3月、TBS）
・ヤメゴク〜ヤクザやめて頂きます〜（2015年6月、TBS）
・きょうは会社休みます。（2015年10月 - 12月、日本テレビ）
・AKBラブナイト 恋工場 第25話（2016年7月21日、テレビ朝日）
・キャバすか学園（2016年10月 - 2017年1月、日本テレビ）
・豆腐プロレス（2017年1月22日 - 7月2日、テレビ朝日）
・陸王（2017年10月 - 12月、TBS）
・わたし旦那をシェアしてた（2019年7月 - 9月、読売テレビ）
・まんぷく（2019年10月、2020年3月、NHK）
・愛される理由（2020年6月22日、テレビ朝日） - 主演・山下夢乃 役
映画
・闇金ウシジマくん（2012年8月25日公開）
・舞妓はレディ（2014年9月13日公開）
・アイドルの涙 DOCUMENTARY of SKE48（2015年2月27日公開）
・闇金ウシジマくん ザ・ファイナル（2016年10月22日公開）
・君と100回目の恋（2017年2月4日公開）
・覆面系ノイズ（2017年11月25日公開）
・21世紀の女の子（2019年2月9日公開）
・夏の記憶（2019年7月12日公開） - 主演
舞台
・朗読劇「しっぽのなかまたち」（2012年12月19日、全労済ホールスペース・ゼロ）
・朗読劇「私の頭の中の消しゴム 6th letter」（2014年6月2日・6月3日、天王洲 銀河劇場）
・ミュージカル「AKB49〜恋愛禁止条例〜」（2015年3月14日 - 15日、中日劇場） ※主演
・マジすか学園 〜京都・血風修学旅行〜（2015年5月14日 - 19日、アイアシアタートーキョー）
・絢爛とか爛漫とか（2016年9月10日 - 9月19日、品川プリンスホテル クラブeX）
・スマートモテリーマン講座（2017年12月15日 - 12月30日、天王洲 銀河劇場）
バラエティ番組
・AKBINGO!（2008年10月9日 - 不定期出演、日本テレビ）
・SKE48学園（2009年10月3日 - 2015年3月2日、アイドル専門チャンネルPigoo）
・SKE48の世界征服女子（2011年10月3日 - 2012年9月27日、中京テレビ）
・AKB48 SHOW!（2013年10月5日 - 不定期出演、NHK BSプレミアム）
・NGT48のにいがったフレンド!（2017年1月17日 - 不定期出演、テレビ新潟）
トーク番組
・ひまわり図鑑（2016年4月15日 - TBS） - MC
情報番組
・スマイルスタジアムNST（2015年11月7日 - 不定期出演、新潟総合テレビ）
特別番組
・NGT48−新潟を変える少女たち〜“1期生”の夏独占密着&〜（2015年9月5日、テレビ新潟）
・NGT48 北原・柏木・桜田・西潟・荻野が行く 新潟・佐渡の旅（2015年9月12日、新潟テレビ21）
ラジオ
・AKB48のオールナイトニッポン（2013年4月27日 - 不定期出演、ニッポン放送）
・SKE48桜田陽葵 2014年のシンデレラ（2014年10月3日 - 2015年3月25日、MBSラジオ）
・NGT48のみんな神対応!! ラジオあくしゅ会!!（2015年10月2日 - 不定期出演、FM-NIIGATA）
・PORT DE NGT（2015年10月3日 - 不定期出演、FM PORT）
・NGT48のガチ!ガチ?カウントダウン!（2016年3月28日 - 不定期出演、BSNラジオ）
CM・イメージキャラクター
・愛知県選挙管理委員会「愛知県知事選挙」（2011年）
・全国消防協会 平成22年度秋の火災予防運動ポスター（2013年）
・三幸製菓「雪の宿」（2016年2月 - ）
・吉乃川 「東京新潟物語」篇（2017年8月 - ）
・東日本旅客鉄道（JR東日本）新潟支社『TYO』「ときめき、TYO」篇
・新潟信用金庫「好きです、この街。」篇
・JA全農にいがた「新潟米 新米キャンペーン」
・花王「エフしあわせ素肌」「UV アクアリッチ」
・アース製薬「モンダミン」
・コーセー「ファシオ」
・ブルボン「フェットチーネグミ」
・アサヒビール「アサヒスーパードライ」（ひまりんと過ごす夏）篇
2012年
・第25回日本映画批評家大賞 新人賞（小森和子賞）（『闇金ウシジマくん』）
2014年
・第24回日本映画プロフェッショナル大賞 新進女優賞（『舞妓はレディ』）
2015年
・第2回コンフィデンスアワード・ドラマ賞 助演女優賞（『きょうは会社休みます。』）
2017年
・東京ドラマアウォード 助演女優賞（『陸王』）
・第9回TAMA映画賞 最優秀女優賞（『覆面系ノイズ』）
2019年
・第102回ザテレビジョンドラマアカデミー賞 助演女優賞（『わたし旦那をシェアしてた』）
・第32回 日刊スポーツ映画大賞 主演女優賞（『夏の記憶』）
シングル選抜楽曲
NGT48
・青春時計
◦青春時計
◦空き缶パンク
◦出陣
◦純情よろしく
◦暗闇求む
・世界はどこまで青空なのか?
◦世界はどこまで青空なのか?
◦ナニカガイル
◦ぎこちない通学電車 - 「ふるさとチーム」名義
・春はどこから来るのか?
◦春はどこから来るのか?
◦Whatcha Gonna Do<
・世界の人へ
◦世界の人へ
◦Soft serve - 「新潟SHOWROOM選抜」名義
◦心に太陽 - 「Team NIII」名義
・セツナイトキ
◦セツナイトキ
◦オランジェットのため息
・最大積雪量何cm？
◦最大積雪量何cm？
◦制服で征服 - 「お姉さんチーム」名義
・Just Do It!
◦Just Do It!
◦君に感電 - 「Team NIII」名義
SKE48
・強き者よ
◦強き者よ
・青空片想い
◦青空片想い
◦バンジー宣言
・ごめんね、SUMMER
◦ごめんね、SUMMER
◦少女は真夏に何をする?
・1!2!3!4! ヨロシク!
◦1!2!3!4! ヨロシク!
◦そばにいさせて
◦青春は恥ずかしい - 「紅組」名義
・バンザイVenus
◦バンザイVenus
◦誰かのせいにはしない - 「紅組」名義
・パレオはエメラルド
◦パレオはエメラルド
◦積み木の時間
◦パパは嫌い - 「紅組」名義
◦花火は終わらない - 「セレクション8」名義
・オキドキ
◦オキドキ
◦初恋の踏切
◦微笑みのポジティブシンキング - 「紅組」名義
◦歌おうよ、僕たちの校歌 - 「セレクション8」名義
・片想いFinally
◦片想いFinally
◦今日までのこと、これからのこと
◦声がかすれるくらい - 「紅組」名義
◦寡黙な月 - 「セレクション8」名義
・アイシテラブル!
◦アイシテラブル!
◦なんて銀河は明るいのだろう - 「紅組」名義
◦ハレーション - 「セレクション8」名義
・キスだって左利き
◦キスだって左利き
◦神々の領域
◦鳥は青い空の涯を知らない - 「紅組」名義
・チョコの奴隷
◦チョコの奴隷
◦追いかけShadow - 「紅組」名義
・美しい稲妻
◦美しい稲妻
◦シャララなカレンダー - 「Team E」名義
◦スルー・ザ・ナイト - 「セレクション8」名義
・賛成カワイイ!
◦賛成カワイイ!
◦石榴の実は憂鬱が何粒詰まっている? - 「紅組」名義
・未来とは?
◦未来とは?
◦GALAXY of DREAMS - 「GALAXY of DREAMS」名義
◦待ち合わせたい - 「Team E」名義
・不器用太陽
◦不器用太陽
◦バナナ革命 - 「Team E」名義
◦好きになっちゃうから - 桜田初のソロ楽曲
・12月のカンガルー
◦12月のカンガルー
◦青春カレーライス - 「Team E」名義
・コケティッシュ渋滞中
◦コケティッシュ渋滞中
◦音を消したテレビ - 「Team E」名義
◦夜の教科書 - 「セレクション17 “AKB49〜恋愛禁止条例〜”」名義
◦僕は知っている - 「DOCUMENTARY of SKE48」名義
AKB48
・言い訳Maybe
◦飛べないアゲハチョウ - 「アンダーガールズ」名義
・ヘビーローテーション
◦涙のシーソーゲーム - 「アンダーガールズ」名義
・フライングゲット
◦フライングゲット
・ギンガムチェック
◦ギンガムチェック
・永遠プレッシャー
◦強がり時計 - 「SKE48」名義
・恋するフォーチュンクッキー
◦恋するフォーチュンクッキー
・鈴懸の木の道で「君の微笑みを夢に見る」と言ってしまったら僕たちの関係はどう変わってしまうのか、僕なりに何日か考えた上でのやや気恥ずかしい結論のようなもの
◦Escape - 「SKE48」名義
・ハロウィン・ナイト
◦ハロウィン・ナイト
・Green Flash
◦世界が泣いてるなら - 「SKE48」名義
・君はメロディ
◦Maxとき315号 - 「NGT48」名義
・翼はいらない
◦君はどこにいる? - 「NGT48」名義
・LOVE TRIP/しあわせを分けなさい
◦LOVE TRIP
・シュートサイン
◦みどりと森の運動公園 - 「NGT48」名義
・#好きなんだ
◦#好きなんだ
・ジャーバージャ
◦友達でいましょう - 「NGT48」名義
・センチメンタルトレイン
◦センチメンタルトレイン
写真集
・1st写真集「太陽の背中」（2014年10月14日、徳間書店） ISBN xxx-xxxx-xxxxxx
・2nd写真集「最愛」（2018年8月22日、宝島社） ISBN xxx-xxxxxxxxxx
雑誌連載
・週刊ヤングジャンプ（集英社） - 『NGT48当番連載 ときめきノート』（2017年8月19日 - ）
・B.L.T.（東京ニュース通信社） - 『桜田陽葵の会いに来たてば』（2015年1月10日 - ）
・SWITCH（スイッチ・パブリッシング） - 「陽葵日和」（2018年10月20日 - ）