Fatti:
A. La cittadina colombiana A._, è giunta in Svizzera nell'ottobre 2007 per seguire un corso professionale in estetica e cosmetologia. A tal fine, le è stato rilasciato un permesso di dimora temporaneo valido fino alla fine di settembre 2008. Il 25 settembre 2008, A._ ha sposato il cittadino di nazionalità elvetica B._, ed ha ottenuto un permesso di dimora che le è stato rinnovato un'ultima volta fino al 24 settembre 2010.
B. Il 1° dicembre 2008, A._ ha comunicato alla polizia l'intenzione di esercitare la prostituzione, indicando che avrebbe svolto tale attività anche presso l'abitazione in cui viveva con il marito.
Il 7 ottobre 2009 - a seguito di un'istanza che mirava all'ottenimento di misure di protezione dell'unione coniugale presentata da B._, in cui lo stesso indicava tra l'altro che la vita in comune con la moglie non era in realtà mai esistita - il Giudice civile competente ha autorizzato la coppia a vivere separata. Il 24 novembre 2009, A._ ha quindi preso in locazione un nuovo appartamento e vi si è trasferita.
Nell'ambito di un interrogatorio che ha avuto luogo il 9 aprile 2010, B._, beneficiario di una rendita d'invalidità, ha confermato alla polizia cantonale l'intenzione di divorziare. Ha aggiunto di aver conosciuto la sua coniuge verso la fine di giugno del 2008, che dopo la separazione l'aveva vista e sentita solo per motivi burocratici e che neppure sapeva dove si fosse trasferita. Durante la sua audizione, il 14 aprile 2010, A._ ha invece dichiarato di aver conosciuto il marito nel luglio 2008 e di continuare a frequentarlo, benché fossero separati. Quel medesimo giorno ha poi notificato alle autorità la rinuncia all'esercizio della prostituzione.
C. Preso atto di questi fatti, il 27 aprile 2010 la Sezione della popolazione del Dipartimento delle istituzioni del Cantone Ticino ha respinto l'istanza con cui A._ chiedeva la modifica dell'indirizzo sul permesso, le ha revocato il permesso di dimora e ha infine fissato alla stessa un termine per lasciare la Svizzera. A sostegno della propria decisione, l'autorità ha rilevato che dal novembre 2009 A._ non conviveva più con il marito, intenzionato a divorziare, motivo per cui era venuto a mancare lo scopo per il quale l'autorizzazione era stata concessa.
Su ricorso, detta decisione è stata confermata sia dal Consiglio di Stato, il 19 ottobre 2010, che dal Tribunale cantonale amministrativo, pronunciatosi in merito con sentenza del 29 marzo 2011.
Nei loro giudizi, entrambe le istanze hanno negato alla ricorrente il rinnovo del permesso di dimora, ritenendo che il richiamo al matrimonio da lei contratto con B._ fosse abusivo. Nel medesimo contesto, hanno poi considerato che abusivo fosse pure il richiamo alla riconciliazione e alla ripresa della coabitazione con il marito, comunicate in sede di replica davanti al Consiglio di Stato.
D. Il 6 maggio 2011, A._ ha inoltrato dinanzi al Tribunale federale un ricorso con cui postula l'annullamento della decisione emessa dal Tribunale amministrativo cantonale e il rinnovo dell'autorizzazione richiesta.
Con decreto presidenziale del 13 maggio 2011, al gravame è stato concesso l'effetto sospensivo.
Chiamato ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si è riconfermato nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria sentenza. Ad essa ha fatto rinvio anche la Sezione della popolazione e l'Ufficio federale della migrazione.
Diritto:
1. 1.1 La procedura ha preso avvio dalla revoca del permesso di dimora a suo tempo concesso alla ricorrente. Quando tale misura è stata esaminata dalla Corte cantonale, detto permesso aveva però già perso di validità. Per questo motivo, constatato come il giudizio del Consiglio di Stato si pronunciasse anche sul diritto al rinnovo del permesso di soggiorno, il Tribunale cantonale amministrativo ha trattato la fattispecie sotto questo profilo (querelato giudizio, consid. 1). Il ricorso non contesta tale modo di procedere, concentrandosi anch'esso sulla richiesta di rinnovo del permesso: solo quest'ultimo aspetto è quindi oggi oggetto di litigio (sentenza 2C_700/2009 del 15 aprile 2010 consid. 2.1).
1.2 La ricorrente ha omesso di precisare per quale via di diritto intendeva procedere. Tale imprecisione non comporta comunque alcun pregiudizio per la stessa, nella misura in cui il suo allegato adempie alle esigenze formali del tipo di ricorso effettivamente esperibile (DTF 134 III 379 consid. 1.2; 133 I 300 consid. 1.2 con rinvii). L'impugnativa è stata presentata contro una decisione di ultima istanza cantonale in una causa di diritto pubblico, motivo per cui va innanzitutto esaminato se la stessa sia ricevibile quale ricorso in materia di diritto pubblico.
2. Giusta l'art. 83 lett. c n. 2 LTF, il ricorso in materia di diritto pubblico è inammissibile contro le decisioni in materia di diritto degli stranieri concernenti permessi o autorizzazioni al cui ottenimento né il diritto federale né il diritto internazionale conferiscono un diritto (DTF 133 I 185 consid. 2.3; 131 II 339 consid. 1).
2.1 L'insorgente è nella fattispecie dell'avviso di avere un diritto al rinnovo del suo permesso di dimora in Svizzera sulla base dell'art. 42 cpv. 1 LStr, norma secondo cui i coniugi stranieri di cittadini svizzeri hanno diritto al rilascio e alla proroga del permesso di dimora se coabitano con loro. Non risultando questa conclusione d'acchito insostenibile, occorre pertanto ammettere che ella disponga pure di un diritto, conformemente a quanto richiesto dall'art. 83 lett. c cifra 2 LTF, a presentare ricorso in materia di diritto pubblico. In che misura le condizioni per il rinnovo del permesso siano effettivamente date rispettivamente il richiamo al diritto di soggiorno risulti essere abusivo, come sostenuto dalla Corte cantonale, sono infatti questioni di merito, che come tali vanno trattate (sentenze 2C_444/2009 del 21 gennaio 2010 consid. 2.2; 2C_304/2009 del 9 dicembre 2009 consid. 1.1, non pubblicato in DTF 136 II 113; 2C_465/2009 del 6 novembre 2009 consid. 2.3).
2.2 Diretto contro una decisione finale emessa da un tribunale superiore (art. 86 cpv. 2 e art. 90 LTF), il ricorso è stato presentato tempestivamente (art. 46 cpv. 1 lett. a in relazione con l'art. 100 cpv. 1 LTF) dalla destinataria della pronuncia contestata. Confermando la stessa il diniego del rinnovo del permesso richiesto, dato è anche l'interesse a ricorrere (art. 89 cpv. 1 LTF). Per quanto precede, l'impugnativa è ammissibile quale ricorso in materia di diritto pubblico.
3. 3.1 Con il rimedio del ricorso in materia di diritto pubblico può tra l'altro venir censurata la violazione del diritto federale (art. 95 lett. a LTF), nozione che comprende i diritti costituzionali dei cittadini (DTF 133 III 446 consid. 3.1 pag. 447 seg.). Rispettate le condizioni che prescrive l'art. 42 cpv. 2 LTF, il Tribunale federale applica comunque il diritto d'ufficio (art. 106 cpv. 1 LTF) e può accogliere o respingere un ricorso anche per motivi diversi da quelli invocati o su cui si è fondata l'autorità precedente (DTF 133 II 249 consid. 1.4.1 pag. 254).
Esigenze più severe valgono invece in relazione alla denuncia della violazione di diritti fondamentali. Il Tribunale federale esamina infatti simili censure solo se l'insorgente le ha sollevate in modo preciso (art. 106 cpv. 2 LTF; DTF 134 II 244 consid. 2.2 pag. 246).
3.2 Per quanto riguarda i fatti, il Tribunale federale fonda il suo ragionamento giuridico sull'accertamento svolto dall'autorità inferiore (art. 105 cpv. 1 LTF). Esso può scostarsene se è stato eseguito violando il diritto ai sensi dell'art. 95 LTF, oppure in modo manifestamente inesatto e quindi arbitrario (art. 105 cpv. 2 LTF; DTF 136 III 552 consid. 4.2 pag. 560). Solo sotto il profilo dell'arbitrio viene pure esaminato l'apprezzamento delle prove addotte (sentenza 2C_959/2010 del 24 maggio 2011 consid. 2.2 con rinvii).
In quanto posteriore al giudizio impugnato, la lettera del 3 maggio 2011, allegata al ricorso, deve pertanto essere estromessa dall'incarto (art. 105 cpv. 1 LTF; DTF 133 IV 342 consid. 2 pag. 343 seg.).
4. La Corte cantonale ha negato alla ricorrente il rinnovo del permesso di dimora, perché ritiene - tra l'altro - che il richiamo al matrimonio da lei contratto con B._, al fine di ottenere il rinnovo richiesto, costituisca un abuso di diritto.
4.1 A norma dell'art. 51 cpv. 1 lett. a LStr, i diritti conferiti dall'art. 42 LStr si estinguono se sono invocati abusivamente, segnatamente per eludere la legge o le pertinenti disposizioni d'esecuzione sull'ammissione e sul soggiorno. Per giurisprudenza, questo è non da ultimo il caso quando le autorità sono confrontate con il richiamo a matrimoni fittizi - contratti, almeno da parte di uno dei coniugi, senza una reale volontà di fondare una comunione duratura - rispettivamente a unioni che non hanno più sostanza e che continuano a sussistere solo pro forma (DTF 128 II 145 consid. 2.1 pag. 151; sentenze 2C_125/2011 del 31 agosto 2011 consid. 3.1; 2C_855/2010 del 25 maggio 2011 consid. 3.1; 2C_811/2010 del 23 febbraio 2011 consid. 4.4.1).
4.2 L'esistenza di matrimoni di natura fittizia non può essere ammessa con facilità. La prova concernente simili unioni compete all'autorità, che deve quindi procedere anche ad un accertamento d'ufficio dei fatti. Tale principio è tuttavia relativizzato dall'obbligo di collaborazione che incombe alle parti, segnatamente in un contesto come quello qui in discussione, da loro meglio conosciuto (sentenza 2C_244/2010 del 15 novembre 2010 consid. 2.2.). Quest'obbligo vale inoltre in modo accresciuto quando le circostanze obiettive permettano di dubitare della reale volontà dei coniugi o di uno di essi di formare rispettivamente continuare a formare una comunione duratura; in queste fattispecie, si può infatti pretendere che i diretti interessati contribuiscano in modo attivo a suffragare tale ipotesi (sentenze 2C_125/2011 del 31 agosto 2011 consid. 3.2; 2C_855/2010 del 25 maggio 2011 consid. 3.2; 2C_811/2010 del 23 febbraio 2011 consid. 4.4.2).
4.3 Sovente, la reale intenzione dei coniugi può essere appurata solo in base al sussistere di più indizi convergenti (DTF 130 II 113 consid. 10.2 segg. pag. 135 segg.). Secondo giurisprudenza, indizi di un'unione fittizia sono tra l'altro ravvisabili: nel fatto che - senza il matrimonio - il coniuge straniero non potrebbe ottenere nessuna autorizzazione di soggiorno; nelle circostanze particolari dell'incontro dei coniugi (breve periodo di frequentazione prima del matrimonio) e nelle caratteristiche della loro relazione (poca conoscenza che dimostrano di avere uno dell'altro); nell'eventuale differenza di età, ecc. (sentenze 2C_855/2010 del 25 maggio 2011 consid. 3.3 e 2C_811/2010 del 23 febbraio 2011 consid. 4.4.1).
Se il sussistere di un matrimonio fittizio non può quindi essere necessariamente ravvisato già solo nel fatto che i contenuti del diritto degli stranieri abbiano avuto un'influenza sulla loro decisione di sposarsi, ma servano appunto più indizi convergenti, occorre nel contempo aggiungere che il fatto che i coniugi abbiano in seguito convissuto ed intrattenuto rapporti intimi durante un certo periodo non costituisce al contrario nemmeno la prova certa che l'unione coniugale sia stata davvero voluta, in quanto anche questo comportamento potrebbe essere stato solamente simulato (sentenze 2C_125/2011 del 31 agosto 2011 consid. 3.4 e 2C_855/2010 del 25 maggio 2011 consid. 3.3).
4.4 Le constatazioni dei giudici cantonali circa l'esistenza di indizi in merito ad un'unione fittizia possono concernere circostanze esterne, così come elementi d'ordine psichico, che segnalano le reali volontà degli interessati. Nei due casi, si tratta comunque di constatazioni di fatto, che legano il Tribunale federale (precedente consid. 3.2). Per contro, sapere se dette constatazioni permettano di concludere che il richiamo ad un matrimonio costituisca un abuso è questione di diritto, che il Tribunale federale esamina liberamente (DTF 128 II 145 consid. 2.3 pag. 152).
5. Sennonché - alla luce della giurisprudenza e dei principi indicati - la conclusione della Corte cantonale di considerare abusivo il richiamo da parte della ricorrente al matrimonio con B._, e quindi negare alla stessa il rinnovo del permesso di dimora sulla base dell'art. 51 cpv. 1 lett. a LStr, non presta il fianco a critica alcuna.
5.1 Pronunciandosi sulla fattispecie, la Corte cantonale ha innanzitutto rilevato che la celebrazione del matrimonio tra la ricorrente e il marito è stata preceduta da una frequentazione brevissima: conosciutisi nell'estate del 2008, come da entrambi confermato in occasione del loro interrogatorio (precedente consid. B), si sono in effetti sposati già il 25 settembre successivo. Nel giudizio viene inoltre sottolineato che, se il matrimonio non fosse stato celebrato entro la fine di settembre 2008, la ricorrente avrebbe dovuto lasciare la Svizzera, in quanto il permesso temporaneo rilasciatole l'anno precedente sarebbe scaduto proprio il 30 settembre 2008.
5.2 Nel rispetto della giurisprudenza menzionata (precedente consid. 4.3), il Tribunale cantonale amministrativo non si è però fermato a tali constatazioni, ma ha parallelamente evidenziato altri aspetti della relazione, atti a mettere in discussione l'effettività dell'unione in esame così come a permettere di considerare attendibili le dichiarazioni già rese dal marito davanti al giudice civile, secondo cui la vita in comune con la ricorrente non sarebbe in realtà mai esistita e quest'ultima lo avesse sposato solo per interesse (precedente consid. B; menzionata istanza di richiesta di misure di protezione dell'unione coniugale, p.to 2 segg.).
In questo contesto, esso ha infatti ricordato quanto emerso dal dettagliato interrogatorio dei coniugi da parte della polizia cantonale, ovvero che - ad appena due mesi dalle nozze e contro la volontà del marito, che inizialmente neppure era stato informato delle sue intenzioni - la ricorrente ha annunciato alle autorità competenti di volere esercitare la prostituzione. Sempre sulla base dell'esito di tale interrogatorio, da cui risulta anche come il marito venisse in sostanza escluso da ogni decisione in merito, la Corte ha poi indicato che la ricorrente ha nel seguito effettivamente svolto tale attività: in parte nel luganese, in parte addirittura tra le mura domestiche.
5.3 Pertinenti e indicative delle reali volontà della ricorrente devono infine essere considerate anche le ulteriori precisazioni formulate nel giudizio impugnato. In effetti, da esso emerge ancora che:
al momento della revoca del permesso, ella viveva separata dal marito da ormai cinque mesi senza che questi - sempre in base a quanto da lui affermato davanti alla polizia - nemmeno sapesse più di preciso dove lei abitava;
dinanzi al Consiglio di Stato la ricorrente aveva chiesto il diritto di soggiorno in Svizzera non per continuare a vivervi con il marito, bensì per svolgere l'attività di estetista intrapresa nella primavera del 2010;
la decisione di ritornare al domicilio del coniuge è stata da lei comunicata solo con la replica davanti al Consiglio di Stato: quindi in una fase già avanzata della procedura di ricorso e dopo aver verosimilmente preso atto, sulla base della risposta inoltrata al Governo dal Dipartimento delle istituzioni, del fatto che il permesso rilasciatole aveva quale unico scopo quello di permetterle di vivere in comunione domestica con il marito.
5.4 Confrontata con tali indizi, che richiedevano un suo contributo attivo a dimostrare la sua volontà di formare una comunione duratura con il partner e quindi l'effettività dell'unione coniugale (precedente consid. 4.2), occorre d'altra parte constatare che la ricorrente - fatta eccezione per la lettera con cui viene confermata la disdetta dell'appartamento da lei a suo tempo locato, - non è stata in grado di addurre nessun reale e concreto elemento probatorio a suo favore.
Certo, anche in questa sede, pone l'accento sul fatto che, dopo avere espresso l'intenzione di divorziare, suo marito ha scritto alle autorità per annunciare l'avvenuta riconciliazione tra i coniugi. Così facendo, dimentica però che ciò non risulta decisivo, poiché il richiamo ad un matrimonio può essere considerato abusivo pure quando gli indizi raccolti permettano - come è appunto il caso nei suoi confronti - di dubitare della volontà di costituire una comunione duratura con il partner già solo da parte di uno dei coniugi (sentenze 2C_125/2011 del 31 agosto 2011 consid. 3.4; 2C_855/2010 del 25 maggio 2011 consid. 3.3; 2C_811/2010 del 23 febbraio 2011 consid. 4.4.1).
Sempre in questo contesto, nemmeno giova inoltre alla sua causa il richiamo all'art. 97a del Codice civile svizzero (CC; RS 210) secondo cui, se il fidanzato o la fidanzata manifestamente non intende creare l'unione coniugale bensì eludere le disposizioni relative all'ammissione e al soggiorno degli stranieri, l'ufficiale dello stato civile si rifiuta di procedere alla preparazione del matrimonio. In effetti, a prescindere dal fatto che tale norma concerne solo casi di abuso manifesto, la breve frequentazione che ha preceduto il matrimonio - che, secondo la ricorrente, avrebbe dovuto essere opposta agli sposi già a quel momento e non potrebbe quindi più esserlo oggi - non è affatto l'unico indizio di matrimonio fittizio cui la Corte cantonale ha fatto riferimento nel suo giudizio.
5.5 Tenuto conto del quadro emerso e descritto - che basa su di un accertamento dei fatti che in quanto tale non viene contestato -, così come della mancata presentazione da parte della ricorrente medesima di prove atte a dimostrare una sua reale volontà a formare una comunione duratura con il marito, la conclusione della Corte cantonale di considerare abusivo il richiamo da parte della ricorrente al matrimonio contratto con B._, e quindi negare alla stessa il rinnovo del permesso di dimora sulla base dell'art. 51 cpv. 1 lett. a LStr, non viola pertanto il diritto federale.
6. Per quanto precede, il ricorso deve essere respinto. Le spese giudiziarie seguono la soccombenza (art. 66 cpv. 1 LTF). Non si assegnano ripetibili ad autorità vincenti (art. 68 cpv. 3 LTF).
Per questi motivi, il Tribunale federale pronuncia:
1. Il ricorso è respinto.
2. Le spese giudiziarie di fr. 2'000.-- sono poste a carico della ricorrente.
3. Comunicazione al ricorrente, alla Sezione della popolazione del Dipartimento delle istituzioni, al Consiglio di Stato e al Tribunale amministrativo del Cantone Ticino, nonché all'Ufficio federale della migrazione.