2007年，武田梨奈通过参演悬疑电影《恐怖童谣表之章》正式进入演艺圈。 2008年，武田梨奈凭借扎实的功夫与靓丽的外形，从500名练习空手道的选手中幸运地脱颖而出，获得主演动作电影《高踢少女》的机会 。2009年，武田梨奈签约了索尼音乐艺术家株式会社 ；4月，发行了个人的首张单曲《High Kick Girl》以歌手身份出道；5月，首次担任主演的动作电影《高踢少女》在日本上映 ；2010年8月20日，与谷内里早、松冈茉优联袂出演的剧情片《少女战士传》在日本首映；10月，在科幻日剧《古代少女队DogoonV》中饰演了专门抓捕妖怪的少女多罗 。2011年2月5日，武田梨奈与飞松阳菜、中达也合作出演的动作电影《空手道少女》在日本上映，并在片中扮演了有着超高空手道技巧的高中女生红彩夏；3月19日，担任主演的动作电影《女忍2011》在日本首映；5月，武田梨奈受邀参加了伦敦Terracotta电影节；7月，在刚力彩芽与福田沙纪双主演的漫改日剧《is上帝的恶作剧》里饰演性格纯粹的女学生宇佐美 はじめ；10月，与武田航平、佐藤江梨子、中村静香联合出演东京电视台播出的深夜剧《摔角妖精宫殿》。2012年2月18日，参演的喜剧电影《高校痞子田中》在日本上映；6月，在短篇日剧《黑色报告书》扮演周刊新潮编集部的打工者中川铃香 。2013年1月19日，担任主演的恐怖喜剧电影《死亡寿司》在日本上映，并凭借该片获得第一届日本演员联合会最佳动作女演员奖 和美国最大规模的类型电影节“The Fantastic Fest”喜剧电影最优秀女主角奖 ；10月22日，主演的剧情片《祖谷物语》在东京电影节上映 ，武田梨奈凭借在该片里的表现获得了第24届日本电影专业大奖新进女优奖 。2014年2月，武田梨奈凭借在信用卡广告里用头撞碎10块瓦片的大胆出演知名度迅速上升，受到注目 ；7月，根据人气漫画改编的真人电影《进击的巨人》公布了主创阵容 ，武田梨奈在片中扮演电影版里的原创角色LIL ；8月3日，主演的青春电影《皇带鱼》在日本上映 ；9月27日，与花井瑠美、清野菜名、加弥乃等人合作出演的科幻动作片《少女在异世界战斗》在日本首映 。2015年1月8日，主演的漫改美食日剧《和歌子酒》在日本东京电视台播出，在剧中饰演了工作极其认真上班族村崎和歌子 ；3月，武田梨奈被任命为第10届大阪亚洲电影节竞赛单元的国际评委 ；5月16日，担任主演的剧情片《原宿缩影》在日本上映 ，在片中扮演原宿辖区的女警官横山五月；8月28日，亮相了第39届蒙特利尔国际电影节，并为主演的温情电影《神乐》做宣传 ；9月28日，武田梨奈凭借在电影《神乐》和网络剧《进击的巨人：反击的狼烟》里的精彩表现获得了洛杉矶日本映画祭最优秀主演女优赏 ；10月24日，电影《神乐》在日本上映 ，该片以山梨县都留市为舞台，讲述了围绕日本传统曲艺“狮子神乐”为轴展开的亲子温情物语；此外，武田梨奈还搭档斋藤工联合参演了日剧SP《毛骨悚然撞鬼经2015夏季特别篇》中的单元故事《暴风雨那日的报案》。2016年4月9日，搭档村井良大双主演的惊悚恐怖电影《毒虫》在日本首映，武田在片中扮演了一名以自身为武器在游戏中努力求生的夜总会陪酒女郎 。