児童劇団に所属した1957年 （昭和 32年）に子役として東映 映画に出演するが、1961年 、中学卒業と同時に東宝 へ入社。東宝ニュー・タレント1期生となる。同期に藤山陽子 がいる。1962年 に中川ゆき 、南弘子 らとスリー・チャッピーズとして売り出されるが、脇役ばかりであった。渾名のロコは名前のヒロコから名付けられた。この時期の映画では、コーネル・ウールリッチ原作、岡本喜八監督のミュージカル『ああ爆弾 』の女子銀行員役で、中の1曲「お金が足りない！」でワンフレーズだけソロを取っているのが目立つぐらいである。
1966年 1月、『ウルトラQ 』（TBS ／円谷プロダクション 。撮影開始は1964年 より）にカメラマン 江戸川由利子役で出演し注目を浴びる。同年7月からは後番組の『ウルトラマン 』に科学特捜隊のフジ・アキコ隊員役で引き続き出演し、更に人気を確かなものにした。この二役により、テレビの特撮番組におけるヒロインの草分け的存在となった。
1970年代 以降は東宝を退社しテレビドラマ を中心に活動。時代劇 や刑事ドラマ では悪女 役も多く演じた。1971年 には実相寺昭雄 監督のATG 映画『曼陀羅』でヌードを披露。昭和期のウルトラシリーズ では1974年 に『ウルトラマンレオ 』、1981年 に『ウルトラマン80 』にゲスト出演している。この時期、大人メディアによる最初のウルトラマンブームが発生、桜井も雑誌「宇宙船」などの回顧インタビューに応じ「キンキン声の由利ちゃんは、フランス映画が似合うような大人の女性になっていました」などと持ち上げられている。
1980年代 後半には女優業は半ば休止状態になったが、1990年代 中盤になるとウルトラブームの再燃もあり、活動を再開。1994年 に上梓した『ウルトラマン青春記―フジ隊員の929日』（小学館 ）は特撮関連の出演者・スタッフによる自伝 的著作の先駆けとなった。
近年は円谷プロに所属し、同社作品や関連イベントにも多く出演している（同社は2007年 に芸能部門を閉鎖したが、桜井はスタッフとして残っている）。2005年 には『ウルトラマンマックス 』にヨシナガ教授役としてレギュラー出演し、黒部進 扮するトミオカ長官とのハヤタ・フジコンビの共演で話題を集めた。2008年 の映画『大決戦!超ウルトラ8兄弟 』では、パラレルワールド でハヤタの妻「ハヤタ・アキコ」となっているフジ・アキコを41年振りに演じている。
2010年に開かれた我夢役の吉岡毅志 の結婚式に参加している。