2010年，在王全安执导的历史片《白鹿原》中饰演白灵一角而走入公众视线 。
2013年，出演《天注定》海外上映获好评，并凭借此片随剧组参加第66届戛纳国际电影节，成为首位踏上国际红毯的90后内地女演员。
2014年主演《摇滚英雄》 。
2015年起，相继拍摄警匪片《解救吾先生》；同年，拍摄青春片《致青春·原来你还在这里》、《万物生长》、《夏天十九岁的肖像中》等。
2016年，凭借主演《少年巴比伦》获第23届北京大学生电影节最佳女演员提名；同年，出演《上海王》成为第18届上海国际电影节闭幕影片。
2017年，李梦再曝入组姜文导演新作《侠隐》而备受关注。同年主演电影《英雄本色2018》。
