2000年代初頭、モデル活動と並行して音楽ユニット「Spin Aqua」で歌手デビューを果たした土屋さんは、2004年に公開された中島哲也監督の映画『下妻物語』で映画初出演を果たします。この作品で演じたのが、深田恭子さん演じるロリータ少女・竜ヶ崎桃子と奇妙な友情を結ぶヤンキー少女、白百合イチゴ役でした。
特攻服に身を包み、原付バイクを乗り回しながら啖呵を切るイチゴ役は、土屋さん自身の持つロックな気質と見事にシンクロしました。この演技が高く評価され、第28回日本アカデミー賞新人俳優賞をはじめ、ブルーリボン賞新人賞、キネマ旬報ベスト・テン新人女優賞など、その年の映画賞を総なめにする快挙を達成します。モデル出身のタレントという枠組みを完全に打ち破り、本格派女優としての評価を決定づけました。
さらに2006年、彼女の人気を決定的なものにしたのが、大ヒットアニメ『NANA』における歌唱キャスト「ANNA TSUCHIYA inspi' NANA (BLACK STONES)」への抜擢です。オープニングテーマ「rose」はオリコン週間シングルチャート初登場6位を記録し、国内外で大ヒット。ハスキーかつパワフルな歌声は、作中の主人公・大崎ナナの魂そのものとしてファンに熱狂的に受け入れられました。
続く2007年には、蜷川実花監督の映画『さくらん』で主演の花魁・きよ葉役を熱演。鮮烈な色彩美の中で見せた艶やかさと芯の強さは、海外の映画祭でも絶賛を浴びるなど、表現者としての全盛期を駆け抜けました。
