2007年，武田梨奈通過參演懸疑電影《恐怖童謠表之章》正式進入演藝圈。
2008年，武田梨奈憑借紮實的功夫與靚麗的外形，從500名練習空手道的選手中幸運地脫穎而出，獲得主演動作電影《高踢少女》的機會 。
2009年，武田梨奈簽約了索尼音樂藝術家株式會社 ；4月，發行了個人的首張單曲《High Kick Girl》以歌手身份出道；5月，首次擔任主演的動作電影《高踢少女》在日本上映 ；
2010年8月20日，與谷內裏早、松岡茉優聯袂出演的劇情片《少女戰士傳》在日本首映；10月，在科幻日劇《古代少女隊DogoonV》中飾演了專門抓捕妖怪的少女多羅 。
2011年2月5日，武田梨奈與飛松陽菜、中達也合作出演的動作電影《空手道少女》在日本上映，並在片中扮演了有著超高空手道技巧的高中女生紅彩夏；3月19日，擔任主演的動作電影《女忍2011》在日本首映；5月，武田梨奈受邀參加了倫敦Terracotta電影節；7月，在剛力彩芽與福田沙紀雙主演的漫改日劇《is上帝的惡作劇》裏飾演性格純粹的女學生宇佐美 はじめ；10月，與武田航平、佐藤江梨子、中村靜香聯合出演東京電視臺播出的深夜劇《摔角妖精宮殿》。
2012年2月18日，參演的喜劇電影《高校痞子田中》在日本上映；6月，在短篇日劇《黑色報告書》扮演周刊新潮編集部的打工者中川鈴香 。
2013年1月19日，擔任主演的恐怖喜劇電影《死亡壽司》在日本上映，並憑借該片獲得第壹屆日本演員聯合會最佳動作女演員獎 和美國最大規模的類型電影節“The Fantastic Fest”喜劇電影最優秀女主角獎 ；10月22日，主演的劇情片《祖谷物語》在東京電影節上映 ，武田梨奈憑借在該片裏的表現獲得了第24屆日本電影專業大獎新進女優獎 。
2014年2月，武田梨奈憑借在信用卡廣告裏用頭撞碎10塊瓦片的大膽出演知名度迅速上升，受到註目 ；7月，根據人氣漫畫改編的真人電影《進擊的巨人》公布了主創陣容，武田梨奈在片中扮演電影版裏的原創角色LIL ；8月3日，主演的青春電影《皇帶魚》在日本上映 ；9月27日，與花井瑠美、清野菜名、加彌乃等人合作出演的科幻動作片《少女在異世界戰鬥》在日本首映 。
2015年1月8日，主演的漫改美食日劇《和歌子酒》在日本東京電視臺播出，在劇中飾演了工作極其認真上班族村崎和歌子 ；3月，武田梨奈被任命為第10屆大阪亞洲電影節競賽單元的國際評委 ；5月16日，擔任主演的劇情片《原宿縮影》在日本上映 ，在片中扮演原宿轄區的女警官橫山五月；8月28日，亮相了第39屆蒙特利爾國際電影節，並為主演的溫情電影《神樂》做宣傳 ；9月28日，武田梨奈憑借在電影《神樂》和網絡劇《進擊的巨人：反擊的狼煙》裏的精彩表現獲得了洛杉磯日本映畫祭最優秀主演女優賞 ；10月24日，電影《神樂》在日本上映 ，該片以山梨縣都留市為舞臺，講述了圍繞日本傳統曲藝“獅子神樂”為軸展開的親子溫情物語；此外，武田梨奈還搭檔齋藤工聯合參演了日劇SP《毛骨悚然撞鬼經2015夏季特別篇》中的單元故事《暴風雨那日的報案》。
2016年4月9日，搭檔村井良大雙主演的驚悚恐怖電影《毒蟲》在日本首映，武田在片中扮演了壹名以自身為武器在遊戲中努力求生的夜總會陪酒女郎 。